JP6777631B2 - 高圧射出により液体ポリマー樹脂から複合部材を製造するための成形装置 - Google Patents

高圧射出により液体ポリマー樹脂から複合部材を製造するための成形装置 Download PDF

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Description

本発明は、複合部材の工業生産のためのこのような部材の成形分野に関する。
より詳細には、本発明は、液体ポリマー樹脂を使用して高圧射出により複合部材を工業的に製造するための成形装置に関する。本発明はまた、該成形装置を用いて実施される複合部材の製造方法、前記方法により得られる部材並びに該方法を実施するのに使用される樹脂にも関する。
本発明の方法によって、ポリマー樹脂の多成分射出が可能になる。本明細書では以後、重合前のポリマー樹脂に対してポリマー樹脂という用語を使用し、重合後のポリマー樹脂に対して重合樹脂という用語を使用する。
上述したもののようなある種の部材又はある種の部材の集合体は大きい機械的な応力又は機械的な負荷がかかることがある。したがって、かかる部材は多くの場合複合材料から作製される。
複合材料は少なくとも２つの不混和性成分の集合体である。かかる集合体では相乗効果が得られるので、得られる複合材料は、最初の成分の各々が保有していないか、又は保有はするが複合材料と比較してより低い程度に保有する、特に機械的及び／又は熱的な性質を保有する。
また、複合材料は、前記複合材料に良好な機械特性を付与し、特に複合材料が受ける機械的な負荷の下での良好な挙動を提供する少なくとも１つの強化材、及び、連続相を形成し、前記複合材料の結合を確実にする母材材料、より簡単に言うと母材からなる。工業的に使用される様々な種類の複合材のうち、有機の母材を有する複合材が最も一般的である。有機の母材を有する複合材の場合、母材材料は一般にポリマーである。このポリマーは熱硬化性のポリマーでも、熱可塑性のポリマーでもよい。
複合材料は、母材材料と強化材を混合し、又は強化材を母材材料で濡らし、若しくは含浸し、続いて得られた系を重合させることによって製造される。本明細書では以後樹脂といわれるポリマー母材と強化材は、前記樹脂を金型に射出することにより前記金型内で混合される。
工業上一般的に使用される金型は、金型内部の圧力平衡を維持するための１つ以上のベントを備えた金型である。しかし、遮断されたベントは、成形後に得られる最終の部材に欠陥を生ずる可能性がある。また、ベントは一般に部材上にマークを残すため、このマークができるだけ目立たないようにするか、又は部材の成形後に加工処理される部分にマークが生じるように、ベント及び／又は部材を配置する必要がある。
これらの問題を克服するために、ベントなしに真空中で作動する金型が設計された。樹脂を射出する前に、金型内を真空にして、樹脂による基材の最適な含浸を可能にし、できるだけ欠陥又は瑕疵の少ない複合部材を得る。
例えば、ＤＥ２０２０１２１０４１４８は、互いに接触してキャビティを形成することができる２つの補完する金型部分から形成された成形型を記載している。成形型の下側部分は、真空点に接続され、前記下側部分の壁を貫通するチャネルを含む。上側部分は、特に、チャネルの一端がキャビティ内に開口していて、前記キャビティ内に真空を作り出すことができるようになっているいわゆる「開」位置と、チャネルの内側端が上側部分により遮断されているいわゆる「閉」位置との間で可動である。この型の上側部分の壁に沿って配置されたシールがキャビティとチャネルとの間、したがってキャビティと外部との間の良好な密封性を提供する。成形型の下側部分は射出口を含み、真空がキャビティ内に作り出され、成形型が閉位置にあるとき、射出口を通って樹脂が射出される。
しかしながら、この種の成形型は非常に高価であり、その使用は複雑であり得ることが分かっている。また、キャビティの容積は成形型の開位置と閉位置とで大幅に減少する。この容積の大きい減少は、上側部分が下側部分に向かって近づく移動に起因している。この容積の変化はキャビティ内の圧力の変化を伴い、樹脂をキャビティ内に射出する工程中の圧力は前記キャビティ内に真空を作り出す先の工程中の圧力より大きくなる。この圧力差は得られる複合部材に欠陥及び／又は瑕疵を生じる可能性がある。
また、真空引きすることができる容積は小さい。その理由は、この容積は成形型の下側部分に含まれるチャネルの容積によって決定されるからである。ここで、チャネルの直径は成形型の上側部分に提供されるシール間に位置する空間より大きくなることはできない。したがって、真空引きする速度は遅く、成形時間は長く、そのためこの種の成形型は高い生産速度の工業用途には適さない。
したがって、本発明の目的は、欠陥がないか又は欠陥及び／又は瑕疵が少ない部材を得ることを可能にする、ポリマー樹脂をベースとする複合材料から部材を製造するための成形装置を提案することによって、従来技術の欠点を修正することである。本発明による成形装置では、また、高い流量での迅速な真空引き工程も可能になる。この種の装置では、また、成形キャビティの一定の容積、及び真空引きする際と樹脂を成形装置内に射出する際の無視できる圧力変化を維持することも可能になる。
この目的のために、本発明は、ポリマー樹脂及び繊維状基材を含む構造化又は半構造化された複合部材の製造のための成形装置において、
底部及び側面を含む金型と、
金型の側面に沿って移動することができ、圧縮表面を含み、前記金型の底部及び側面と共にキャビティを形成する可動部分と
を含むことを特徴とし、
主に、可動部分が、キャビティの上方に位置するチャンバ内に開口しており、前記キャビティと連通している真空引きチャネルを含むことを特徴とする成形装置に関する。
別の特徴によると、金型は、下側部分と、金型を閉じるために前記下側部分と接触することができる上側部分とを含む。
可動部分は、さらに、金型の側面に沿って移動することができるパンチと、射出ヘッドとを含み、前記射出ヘッドは開口を介してキャビティと連通する射出カラムを画定する壁を備えている。
別の特徴によると、金型はさらに下面を備えた下側部分、上側部分、及び凹みを含むピストンを含み、前記ピストンは、その下面が射出ヘッドの壁及び開口と共に射出カラムの下部を画定する、開位置といわれる少なくとも１つの第１の位置と、ピストンが射出カラムの開口を遮断する少なくとも１つの第２の位置との間で、射出カラムに沿って移動することができる。
成形装置の他の特徴によると、
可動部分はさらに、パンチの側面に沿って、カラーの下面がパンチの側面と共に開口を介してキャビティと連通する収縮空間を画定する、開位置といわれる少なくとも１つの第１の位置と、カラーが前記開口を遮断する閉位置といわれる少なくとも１つの第２の位置との間で移動することができるカラーを含み、
収縮空間は、パンチ内に位置する周辺の溝を含み、
真空引きチャネルは、パンチ内に位置し、収縮空間により形成されるチャンバ中、又は前記収縮空間の周辺の溝中に開口しているチャネルからなり、
射出ヘッドはさらに、その壁内に、樹脂を射出するための少なくとも１つの第１の下部チャネル及び樹脂を前記射出ヘッドから排出するための少なくとも１つの第１の上部チャネルを含み、前記第１の下部及び上部チャネルは直接上下に配置されており、ピストンの凹み及び射出ヘッドの壁と共に、樹脂を再循環させるための少なくとも１つの回路を形成しており、
射出ヘッドはさらに、その壁内に、樹脂を射出するための少なくとも１つの第２の下部チャネル及び樹脂を前記射出ヘッドから排出するための少なくとも１つの第２の上部チャネルを含み、前記第２の下部及び上部チャネルは直接上下に配置されており、ピストンの凹み及び射出ヘッドの壁と共に、樹脂を再循環させるための少なくとも１つの回路を形成しており
射出ヘッドは、その壁内に、樹脂を射出するためのｎ個の下部チャネル及び樹脂を射出カラムから排出するためのｍ個の上部チャネルを含み、ｎは２以上であり、ｍは２以上であり、ｎはｍと等しいか又は異なっていて、ｎがｍより小さければ樹脂を再循環させるためのｎ個の回路を、又はｍがｎより小さければｍ個の再循環回路を形成し、
射出カラムの上側部分は、圧力がかけられることが意図されており、ピストンの上側部分を受容することができる空間からなり、前記ピストンは油圧式であって、射出カラムに沿った前記ピストンの移動を可能にしている。
本発明はまた、ポリマー樹脂及び繊維状基材を含む構造化又は半構造化された複合部材の製造方法にも関し、この方法は、主として、射出装置を使用して実施され、
ａ）繊維状基材をキャビティ内に配置する工程と、
ｂ）成形装置の可動部分内に位置する真空引きチャネルを介してキャビティ内を真空引きする工程と、
ｃ）樹脂射出チャネルを介して既定量のポリマー樹脂をキャビティ内に射出することにより繊維状基材に含浸させ、次いで成形装置の可動部分により前記樹脂を圧縮する工程と
を含むことを特徴とする。
もう１つ別の特徴によると、方法はさらに未射出樹脂をキャビティ内でクリーニングする工程を含み、前記クリーニング工程は樹脂圧縮工程の前、その工程中、又は後に実施し得る。
樹脂射出工程に先立って、方法はチャンバ閉鎖工程を含む。
チャンバ閉鎖工程は、前記カラーの閉位置への移動により、収縮空間の開口をカラーの下面によって遮断することからなる。
本方法では、ポリマー樹脂の多成分射出、より特定的には二成分射出が可能になる。
本発明はさらに、熱硬化性ポリエステル樹脂、熱硬化性ビニル−エステル樹脂、熱硬化性アクリル樹脂、前記熱硬化性ポリエステル、ビニル−エステル、及びアクリル樹脂の混合物、熱硬化性ポリウレタン樹脂、熱硬化性エポキシ樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、熱可塑性ポリアミド樹脂から選択される、多成分製造方法を実施するための液体ポリマー樹脂にも関する。
本発明はまた、本製造方法を実施することによって得られる構造化又は半構造化された複合部材にも関し、前記部材は自動車、道路輸送、例えばトラック、鉄道、海上、及び航空輸送、風力、太陽光発電、太陽（熱）、建築、土木工学、家具及び都市インフラストラクチャー、信号、スポーツ及びレジャー活動の分野で使用することができる。
有利な特徴によると、得られる構造化又は半構造化された複合部材は「ネットシェイプ」と呼ばれ、すなわち、残留する成形スプルーを含まず、離型後仕上げ処理をしないで使用できる。
本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面に示されている成形装置の概略図を参照した、説明のための非限定例としての以下の記載を見れば明らかとなろう。
真空引き工程にある成形装置の断面図である。 カラー閉鎖工程にある成形装置の断面図である。 樹脂射出工程にある成形装置の断面図である。 樹脂再循環及び圧縮工程にある成形装置の断面図である。 アングルドリターンシステムの概略図である。 樹脂保管手段の概略図である。 周辺狭窄手段の概略図である。
成形装置の一般的な説明
本明細書で使用されるとき用語「モノマー」は重合することができる分子を指す。
本明細書で使用されるとき、用語「重合」は、モノマー又はモノマーの混合物をポリマーに変換するプロセスをいう。オリゴマーは、小数のモノマーを含むポリマーである。
「多成分射出」は少なくとも２種の成分を含む樹脂の射出を意味し、前記成分は成形装置内における前記樹脂の射出の工程から出発して初めて接触させられる。本明細書では、特に二成分射出、すなわち、２種の成分Ａ及びＢを含む樹脂の射出を示し、前記成分は成形装置内における前記樹脂の射出の工程から出発して初めて接触させられる。
図１．１に概略図により示されている成形装置１は、下側部分３、及び前記下側部分と接触して、金型を閉じるために固定された部分上に配置されることができる上側部分４を含む金型２を含む。金型２は、その下側部分３内に備えられ、繊維状強化材を受容するようにされている底部６を含む。この底部は、周辺が金型の側面５によって限定されている。
成形装置１はまた、金型の側面５に沿って移動することができる可動部分１０も含む。前記可動部分は、金型の外側壁５及び金型の底部６と共にキャビティ７を形成する圧縮表面１４を含む。可動部分はまた、金型１の側面５に沿って移動することができるパンチ１１、及びパンチ１１内に収容されたカラー４０内に含まれる射出ヘッド２０も含む。
可動部分１０はまた、例えば真空ポンプのような真空引き装置に接続されることになる真空引きチャネル１３も含む。このチャネルはチャンバ４２に開口している。このチャンバはキャビティ７の上方に位置し、このキャビティ上の開口を介して前記キャビティ７と連通している。
成形装置１は、さらに、可動部分１０、特にパンチ１１に運動を起こさせて、樹脂が重合するとき樹脂−基材集合体を圧縮するために、前記樹脂の重合反応の間ずっと前記可動部分に一定の圧力を加えることを可能にするシステム６０を含むのが有利である。
実際、樹脂５０の重合中、繊維状基材５１の前記樹脂による含浸の後、前記樹脂の体積収縮現象が観察される。樹脂−基材集合体により占められる容積は樹脂の重合反応が進行するにつれて減少し、その結果重合反応の終了時に得られる重合樹脂−基材集合体により占められる容積は最初の樹脂−基材集合体により占められていた容積より小さくなる。記載されている系によると、可動部分１０、特に前記可動部分の圧縮表面１４が樹脂−基材集合体と接触したままであり、重合反応中ずっと前記樹脂−基材集合体を圧縮することができるので、繊維状基材の樹脂による最適な含浸を得ることが可能になる。
システムは図４に示されているような並進アングルドリターンシステム６０を含むのが有利である。このシステムは、並進アングルドリターン６２に対して負荷を加えるジャッキ（シリンダ）６１を含み、前記アングルドリターンはジャッキの縦軸に対して角度αだけずれるように配置されている。アングルドリターンはパンチ１１に接続されており、負荷をパンチに伝え、その結果前記パンチが並進運動をして金型の側面５に沿ってスライドすることが可能になる。
複合部材の製造方法を実施するために、方法の全ての工程の間、可動部分１０、特にパンチ１１の動きと位置決めの正確な制御が必要である。この目的のため、ジャッキ６１は複動式ジャッキであるのが好ましい。
記載されているシステム６０は、有利なことに、パンチに一定の圧力をかけることにより、前記樹脂の重合中の樹脂の収縮を相殺しながらパンチ１１の移動が可能になる。作用させる圧力は特に、射出される樹脂の種類及び樹脂の体積に応じて決定される。このシステム６０により、樹脂による繊維状基材の含浸の優れた均一性を得、良好な機械特性と共に粗さのない良好な表面仕上げを保有する複合部材を与えることが可能である。
成形装置１は、有利なことに、射出された樹脂の体積が金型内の繊維状基材の最適な含浸に必要とされる体積より大きいとき、射出された樹脂の余剰分を受容することが可能な保管手段を含む。図３に示されているような保管手段は、有利なことに、射出された樹脂５０の余剰分を受容することができるリザーブチャンバ７０を含み、前記リザーブチャンバはライン７１によりキャビティ７に接続される。このようにして、射出された樹脂の体積が繊維状基材の最適な含浸に必要とされる体積より大きいとき、その余剰の樹脂はラインを使用し、リザーブチャンバ７０に入る。
このリザーブチャンバ７０の存在は樹脂の射出に対してより広い窓枠を提供する。すなわち、最適な含浸体積を超えたとき、余剰分はリザーブチャンバに入るからである。したがって、これらの保管手段は繊維状基材の最適な含浸を保証することができ、その結果良好な機械特性を保有する複合部材が得られる。
成形装置は、有利なことに、パンチの下面及び／又は金型の底部の幾何形状の変化からなる部材の横断面の周辺狭窄のための手段を含む。図４に示されている狭窄手段は、金型の側面５の近くに位置し、図４において参照番号８０、８１及び８２を有する３つの構造変形により例示されている。
第１の変形において、パンチの下面１５は湾曲してリップ８０を形成している。第２の変形において、パンチの下面はノッチ８１を含む。第３の構造形において、パンチの下面及び金型の底部６は勾配の変化を含み、傾斜面を形成している。
部材の横断面の周辺狭窄のための前記手段（８０、８１、８２）は、特に、前記基材の樹脂による含浸が極めて少ないか又はさらには存在しない基材のゾーンに対応する乾燥ゾーンの形成を避けることによって、繊維状基材５１の樹脂５０による含浸の良好な均一性を与える。こうして、部材の横断面の周辺狭窄のための前記手段（８０、８１、８２）は、良好な機械特性を保有する複合部材を得ることを可能にする。
図１．１、１．２、１．３及び１．４に示されている複合部材の作動及び製造の詳細
図１．１、１．２、１．３及び１．４に概略図により示されている成形装置では、樹脂５０の二成分射出が可能である。可動部分１０は金型の側面５に沿って移動することができ、この可動部分内に配置されたパンチ１１は金型の前記側面に沿って移動することができる。成形装置１の可動部分１０は、射出ヘッド２０が位置するカラー４０を含み、前記カラーは前記射出ヘッドを取り囲んでいる。カラー４０は、パンチ１１の側面１２に沿って、且つ金型の側面５に対して移動することができる。特に、カラーは、開位置と呼ばれる少なくとも１つの第１の位置と、閉位置と呼ばれる少なくとも１つの第２の位置との間で移動することができる。
射出ヘッド２０はいわゆる「高圧」射出ヘッドである。この射出ヘッド２０は一般に５０バールから１００バールの間の高樹脂射出圧力で使用され得る。この射出ヘッド２０は、その壁２１内に、直接上下に位置する第１の下部チャネル２３．１及び第１の上部チャネル２３．２、並びに直接上下に位置する第２の下部チャネル２４．１及び第２の上部チャネル２４．２を含む。第１及び第２の下部チャネルは互いに対して対向しており、互いに対面している。同様に、第１及び第２の上部チャネルは互いに対して対向しており、互いに対面している。
射出ヘッド２０はさらに、その長さの一部に凹み３１を含む油圧式ピストン３０を含み、前記油圧式ピストンは前記射出ヘッドのカラム２２に沿って、開位置と呼ばれる少なくとも１つの第１の位置と、閉位置と呼ばれる第２の位置との間で移動することができる。
開位置において、ピストンの底端部３２、射出ヘッドの壁２１、及びカラムの開口２６は、特に、キャビティ７内に射出される前のポリマー樹脂を受容するようになっているカラム部分２５の境界を定めている。
閉位置において、カラムの開口２６はピストンの底端部３２により遮断されている。また、油圧式ピストンの一部に備えられた凹み３１並びに上部及び下部チャネルはポリマー樹脂を循環させるための回路を形成している。第１の回路はピストンの凹み３１、第１の下部チャネル２３．１、及び第１の上部チャネル２３．２によって形成される。第２の回路はピストンの凹み３１、第２の下部チャネル２４．１、及び第２の上部チャネル２４．２により形成される。
上に記載したように、ピストン３０は、高い圧力でのポリマー樹脂の射出を可能にする油圧式ピストンである。かかる圧力をピストンにかけることができるように、射出ヘッドはピストンの上端部３３を受容することができる空間２７を含む。
真空引きするのは、可動部分のパンチ内に位置するチャネル１３を介して実施され、このチャネルの一方の端部は収縮空間４２により形成されたチャンバ内に、特に開口４４を介してキャビティ７に連通している収縮空間の周辺の溝４３内に開口しており、他の端部はパンチの外部に開口し、例えば真空ポンプのような真空引きシステムに接続されている。
真空引き工程において、ピストンは閉位置にあり、射出カラムの開口２６を遮断している。パンチ１１は高い位置にあり、カラー４０は開位置にあって収縮空間４２を形成している。成分Ａ及びＢは射出ヘッド内で、それぞれ第１の回路及び第２の回路内を再循環する。成分Ａ及びＢの再循環の速度は、樹脂射出の以降の工程中高い圧力での前記成分の最適な混合が可能になるように調節される。特に、成分ＡとＢの再循環の速度は樹脂射出の以降の工程中樹脂の射出の速度と同じでも異なってもよい。
キャビティ内及び収縮空間内に真空が作り出されたとき、パンチの側面１２に沿ってカラー４０を閉位置に達するまで移動させ、収縮空間４２を満たす。本方法の以降の工程中チャネル１３を介してキャビティ７中に空気が入ることを防止するために、カラーが溝４３を塞ぐ。閉位置において、カラーの下面４１はパンチの下面１５と同じレベルに位置し、カラー及びパンチの前記下面が圧縮表面１４を形成している。次いで、カラーがパンチに固定され、キャビティの密封性を保証するために前記パンチと一体になる。
その後、樹脂５０を金型のキャビティ７中に射出して、予め前記キャビティ内に入れられていた繊維状基材５１に含浸させる。この樹脂射出工程において、ピストン３０は開位置にあり、したがって第１の下部チャネル２３．１及び第２の下部チャネル２４．１はカラム部分２５内に開口している。
成分ＡとＢはそれぞれ第１の下部チャネルと第２の下部チャネルを介してカラム部分中に射出され、そこで互いに高い圧力で接触する。射出圧力並びに成分Ａ及びＢの射出の速度は再循環圧力並びに前記成分Ａ及びＢの再循環の速度と同じ又は異なるように選択することができる。
成分ＡとＢをカラム部分において高い圧力及び高い流量で接触させることで、繊維状基材の最適な含浸のための、前記成分の均一な混合を得、したがって均一なポリマー樹脂を得ることが可能になる。
所望の量の樹脂が金型キャビティ内に射出されたとき、ピストン３０を閉位置に移動させて射出カラムの部分の開口２６を遮断する。その後、成分ＡとＢは、真空引き工程と同じように、射出ヘッド内で、それぞれ、第１の回路と第２の回路内を再循環する。
樹脂の再循環の後、成形装置の可動部分１０を、金型の側面５に沿って、射出された樹脂の種類と体積に応じて変化する低い位置に到達するまで移動させ、その結果圧縮表面１４が前記射出された樹脂と接触する。可動部分は樹脂を圧縮して、繊維状基材の表面全体への樹脂の最大の拡張、並びに繊維状基材の前記樹脂による最適な含浸を可能にする。樹脂の再循環工程は圧縮工程の前、間、又は後に実施することができる。好ましくは、循環及び圧縮工程は同時に起こる。
射出は、下部及び上部チャネルの数並びに樹脂の再循環のための回路の数を適切に適応させて、二成分モード、又はより一般的には多成分モードで実施できる。特に、成分ＡとＢは同じであっても異なっていてもよい。
成分Ａ及びＢはまた異なっていてもよく、各々が異なるポリマー樹脂からなっていて、特に、２つの異なるポリマー樹脂の二成分射出となってもよい。
構造化又は半構造化された複合部材の製造方法
記載されている成形装置では、構造化又は半構造化された複合部材の製造が可能になる。この部材は、ポリマー樹脂、特に１種以上の熱可塑性又は熱硬化性ポリマー樹脂、及び繊維状基材を用いて成形することにより、様々な実施態様で記載されているようにして得られる。これらのポリマー樹脂はまた、成形プロセスで使用される成形装置内で重合を経た後に得られる複合材料のポリマー母材の前駆体であるので、プレポリマーとも呼ばれる。
本方法はより特定的には以下の工程を含む。
成形装置のキャビティ７の底部６に繊維状基材５１を配置する工程。成形装置の金型２は開位置にあって、前記金型のキャビティ内に繊維状基材を配置することができる。次いで、前記成形装置の上側部分４と下側部分３を接触させた後、例えばプレスのような閉鎖システム、又は工業上一般に使用されている他のいずれかの成形装置閉鎖システムを用いて前記上側部分を前記下側部分に押し付けることによって成形装置を閉じる。
この目的のために備えられたチャネルを介して、キャビティ７内に真空を作り出すか、又はキャビティ内を真空引きする工程。この真空引きチャネル１３は成形装置の可動部分内に位置し、キャビティ７に連通するチャンバ４２内に開口している。真空引きチャネルは、キャビティ内を真空引きする工程を実行するために、例えば真空ポンプのような真空引きシステムに接続されるようになっている。こうして、真空引き工程の終了時、チャンバ内及びキャビティ内に真空が作り出される。
前もって成形装置のキャビティ７内に配置された繊維状基材の、ポリマー樹脂による含浸工程。
含浸工程は、樹脂をキャビティ内に射出する工程と、その後前記樹脂及び繊維状基材を圧縮する工程を含む。
樹脂は可動部分１０内に位置する射出チャネルを介して射出される。既定量の樹脂５１がチャネルを介して射出され、射出ヘッドを貫通し、次いでキャビティ内に入り、繊維状基材５１と接触する。樹脂の重合後、複合材料のポリマー母材を構成する重合樹脂が得られる。
本発明による成形装置を用いて行われる成形方法により、真空引き工程と樹脂５０の射出工程との間で変化しないキャビティ７の容積を得ることが可能になる。また、提案されている成形装置によると、真空引き工程と樹脂の射出工程との間で不変又は準−不変である圧力を得ることも可能になる。「準−不変の圧力」とは、キャビティ内の圧力の無視できる変化、また、圧力の前記変化の、得られる複合部材の質に対する無視できる影響を意味する。
また、本発明による複合部材の製造のための成形装置によって、真空引きする非常に大きい面積を得ることも可能になり、そのため１００ミリバールより高い、好ましくは７５ミリバールより高い、さらにより好ましくは５０ミリバールより高い真空を、１０秒未満、好ましくは８秒未満、さらにより好ましくは５秒未満で作り出すことが可能になる。非常に高い真空とは、１００ミリバール未満、好ましくは７５ミリバール未満、さらにより好ましくは５０ミリバール未満の金型内、好ましくはキャビティ内の圧力を意味する。
結果として、この種の成形装置では、より小さい数の欠陥及び／又は瑕疵を有する複合部材、及びポリマー樹脂による繊維状基材の最適な含浸を得ることが可能になる。
繊維状基材
繊維状基材に関し、前記基材は好ましくは、前記繊維状基材が成形キャビティの底部を完全に又は殆ど完全に覆うように、前記成形キャビティの寸法に対応する寸法を有する。
繊維状基材は好ましくは、Ｌ／Ｄ比（長さ対直径の比）が１０００超、好ましくは２０００超、有利には３０００超、より有利には５０００超、さらにより有利には６０００超、さらにより有利には７５００超、最も有利には１００００超である長い繊維を含む。
繊維
基材の繊維は連続であり、プリフォームであり得る集合体の形態であってもよい。基材の繊維は、一方向（ＵＤ）又は多方向（２Ｄ、３Ｄ）強化材の形態であってもよい。特に、これらは織物、布、層、ストリップ又は組紐の形態であってもよく、また例えば不織布（マット）の形態、又はフェルトの形態に切断されていてもよい。
基材の繊維は直径が０．００５μｍから１００μｍ、好ましくは１μｍから５０μｍ、より好ましくは３μｍから３０μｍ、有利には５μｍから２５μｍの間である。
基材の繊維は、
鉱物繊維、好ましくは適用温度を超える高い溶融点Ｔｍを有するもの、
ポリマー性又はポリマー繊維、好ましくは適用温度より十分高い溶融点Ｔｍ’を有するか、又はＴｍ’が存在しないときはガラス転移温度Ｔｇ’を有するもの、又は
上記繊維の混合物
から選択され得る。
より特定的には、繊維は次のように選択され得る。
鉱物繊維は、炭素繊維、炭素ナノチューブ繊維、ガラス繊維、特にＥ、Ｒ又はＳ２タイプのもの、ホウ素繊維、セラミック繊維、特に炭化ケイ素繊維、炭化ホウ素繊維、炭窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、窒化ホウ素繊維、玄武岩繊維、金属及び／又は金属合金をベースとする繊維又はフィラメント、Ａｌ２Ｏ３のような金属酸化物をベースとする繊維、金属化ガラス繊維及び金属化炭素繊維のような金属化繊維、又は上記繊維の混合物から選択され得る、
ポリマー又はポリマー性繊維は、上述した条件下で、以下のものから選択される：
熱可塑性ポリマーの、より特定的にはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）から選択される繊維、
ポリアミドの繊維、
アラミド（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）のような）並びに式：ＰＰＤ．Ｔ、ＭＰＤ．Ｉ、ＰＡＡ及びＰＰＡの１つに対応するもののような芳香族ポリアミドの繊維、式中、ＰＰＤ及びＭＰＤはそれぞれｐ−及びｍ−フェニレンジアミンであり、ＰＡＡはポリアリールアミドを意味し、ＰＰＡはポリフタルアミドを意味する、
ポリアミド／ポリエーテルのようなポリアミドブロックコポリマーの繊維、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）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）のようなポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）の繊維。
好ましい強化用繊維は、金属化されたものを含む炭素繊維、Ｅ、Ｒ、Ｓ２タイプの金属化されたものを含むガラス繊維、アラミド（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）のような）若しくは芳香族ポリアミドの繊維、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のようなポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）の繊維、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）の繊維、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）の繊維又はこれらの混合物から選択される長繊維である。
より特定的に好ましい繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維及びアラミド（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）のような）の繊維又はこれらの混合物から選択される。
前記繊維は、前記複合材料の４０−７０ｖｏｌ％、好ましくは４５−７０ｖｏｌ％、さらにより好ましくは５０−６５ｖｏｌ％のレベルを占め得る。
繊維の集合体はランダム（マット）、一方向（ＵＤ）又は多方向（２Ｄ、３Ｄ又はその他）であり得る。その「重量」、すなわち単位平方メートル当たりのその重量は、１００−１０００ｇ／ｍ２、好ましくは１５０−９００ｇ／ｍ２、さらにより好ましくは２００−７００ｇ／ｍ２の範囲であり得る。
ポリマー樹脂
図で参照番号５０により示されるポリマー樹脂は成形装置１中に射出される。
ここで、ポリマー樹脂は、反応性の基を含む成分を含む粘稠な液体の化学組成物を意味する。前記樹脂は、成形装置１中に射出されたとき、繊維状基材５１への含浸及び以降の前記樹脂の重合により、したがって重合樹脂を形成することにより、様々な用途向け、例えば鉄道輸送、航空、又は建設及び建築の分野における複合部材を得ることを可能にする。
使用される樹脂は、その場での重合を可能にする反応性の樹脂である。これらの樹脂は液体であり、３００℃以下の一定の温度で１００００ｍＰａ．ｓ以下の粘度を有する。
樹脂は上記成形装置において多成分モード、特に二成分モードで射出され、すなわちこの種の樹脂の成分Ａ及びＢは前記成形装置における樹脂の射出工程まで接触しないので、成分ＡとＢの混合物を低温で保管する工程が回避される。
樹脂は、反応性であってもそうでなくてもよい少なくとも１種のポリマー又は１種のオリゴマー、及び少なくとも１種のポリマー又は前記ポリマー若しくはオリゴマーが反応性であれば前記ポリマー若しくはオリゴマーと反応することができる鎖延長剤を含むシロップからなる成分Ａを含む。樹脂はまた、モノマー又は鎖延長剤と反応して重合を開始させることが意図された少なくとも１種の開始剤又は触媒を含む成分Ｂも含む。
特に、樹脂の重合はラジカル重合、又は重付加若しくは重縮合であってもよい。
ラジカル重合の場合、樹脂は、反応性であってもそうでなくてもよい少なくとも１種のポリマー又はオリゴマー、及び少なくとも１種のモノマーを含むシロップからなる成分Ａを含む。また、樹脂は、前記ポリマー又はオリゴマーが反応性であればモノマー及び／又はポリマー又はオリゴマーと反応して重合を開始させることが意図された少なくとも１種の開始剤を含む成分Ｂも含む。
重付加又は重縮合の場合、樹脂は、少なくとも１種の反応性のポリマー又はオリゴマーを含むシロップからなる成分Ａを含む。また、樹脂は、反応性のポリマー又はオリゴマーと反応して重合を開始させることが意図された少なくとも１種の鎖延長剤を含む成分Ｂも含む。
多成分射出、特に二成分射出に使用される樹脂は次のものを含む。
添加剤の存在下で１種以上の反応性のモノマーに希釈された不飽和ポリエステルポリマーからなる熱硬化性ポリエステル樹脂。ポリマー及び／又はポリマー（複数）及びモノマー及び／又はモノマー（複数）はラジカル重合により重合可能であり、重合は、促進剤を用いて、又は用いないで、例えば過酸化物のような開始剤により開始される。反応性のモノマーは一般にスチレンであるが、スチレンと組み合わせて、又は組み合わせないで、（メタ）アクリルモノマーのような他のビニルモノマーを含んでいてもよい。
添加剤の存在下で１種以上の反応性のモノマーに希釈されたメタクリル化エポキシポリマーからなる熱硬化性ビニル−エステル樹脂。ポリマー及び／又はポリマー（複数）及びモノマー及び／又はモノマーは（複数）ラジカル重合により重合可能であり、重合は、促進剤を用いて、又は用いないで、例えば過酸化物のような開始剤により開始される。反応性のモノマーは一般にスチレンであるが、スチレンと組み合わせて、又は組み合わせないで、（メタ）アクリルモノマーのような他のビニルモノマーを含んでいてもよい。
添加剤の存在下で１種以上の反応性のモノマーに希釈された（メタ）アクリル化ウレタンポリマー又は（メタ）アクリル化ポリエステルからなる熱硬化性アクリル樹脂。ポリマー及び／又はポリマー（複数）及びモノマー及び／又はモノマー（複数）はラジカル重合により重合可能であり、重合は、促進剤を用いて、又は用いないで、例えば過酸化物のような開始剤により開始される。反応性のモノマーは一般にメタクリル酸メチルであるが、メタクリル酸メチルと組み合わせて、又は組み合わせないで、スチレン又は（メタ）アクリルモノマーのような他のビニルモノマーを含んでいてもよい。
３種類の上記樹脂の混合物。
添加剤及び／又は希釈剤の存在下での、イソシアネート基を有するポリマー又はオリゴマーをベースとする熱硬化性ポリウレタン樹脂。重合は、任意選択的に促進剤を存在させて、ポリオール又はポリアミンの重付加又は重縮合によって行われる。
添加剤及び／又は希釈剤の存在下での、エポキシ基を有するポリマー又はオリゴマーをベースとする熱硬化性エポキシ樹脂。重合は、任意選択的に促進剤を存在させて、ポリアミン又は無水物の重付加又は重縮合によって行われる。
少なくとも１種のポリマー及び少なくとも１種のモノマー、並びに前記少なくとも１種のモノマーの重合を開始させる開始剤からなる熱可塑性アクリル樹脂。１種以上のモノマーはラジカル重合により重合可能であり、重合は、促進剤を用いて、又は用いないで、例えば過酸化物のような開始剤により開始される。反応性のモノマーは一般にメタクリル酸メチルであるが、メタクリル酸メチルと組み合わせて、又は組み合わせないで、（メタ）アクリルモノマーのような他のビニルモノマーを含んでいてもよい。
出典明示により援用される欧州特許出願公開第１１９１０５０号及び同第２５８６５８５号に記載されているもののような熱可塑性ポリアミド樹脂（ＰＡ及びＰＡＨＴ）。特に、一例として、β，β−ジメチルプロピオラクタム、α，α−ジメチルプロピオラクタム、アミロラクタム、カプロラクタム、カプリルラクタム及びラウリルラクタムのような少なくとも１種のラクタムモノマーを含む熱可塑性ポリアミド樹脂が挙げられる。
複合部材
上に記載された成形装置と方法により、複合部材、又は構造化若しくは半構造化された複合部材、特に残留する成形スプルーを含まず、離型後仕上げ処理なしで使用することができる部材を作成することが可能になる。
より特定的には、前記部材は、成形産業で現行の用語によると、最終使用の前に特別な機械加工又は仕上げ処理を必要としないことを意味する「ネットシェイプ」である。これは製造の特別な条件に関係しており、特に、真空下で作動し、したがってベントを必要とすることのない金型で成形するという特別な製造条件に関連している。このベントは、通常（存在するときは）、離型の際このベントに関連して形成されるスプルーを追加の機械加工及び仕上げ処理によって除去する必要性を生ずる。これは、最終構造における重要な違いであり、この分野における従来技術と比べて重大な追加の利点である。実際、本装置は構造化又は半構造化された複合部材の工業的な製造に適しており、特に、その結果として、生産性が向上し、廃棄物がなく、改良された機械的な性質を有する欠陥のない機械的な部材が得られる。
こうして得られる構造化又は半構造化された部材は、様々な最終用途に、特に自動車分野、道路輸送、例えば、トラックの部材、鉄道、海上及び航空輸送、太陽光発電、太陽（熱）、特に太陽光発電所の部材、風力、宇宙、建築及び土木工学、家具及び都市インフラストラクチャー、信号、スポーツ及びレジャー活動に使用し得る。

Claims (13)

  1. ポリマー樹脂（５０）及び繊維状基材（５１）を含む構造化又は半構造化された複合部材を製造するための成形装置（１）において、
    底部、側面、下側部分（３）、及び金型を閉じるために前記下側部分と接触することができる上側部分（４）を含む金型（２）と、
    金型の側面に沿って移動することができ、前記金型（２）の底部及び側面（５）と共にキャビティ（７）を形成する圧縮表面（１４）を含む可動部分（１０）と
    を含み、
    可動部分（１０）が、キャビティの上方に位置し前記キャビティ（７）と連通するチャンバ（４２）内に開口する真空引きチャネル（１３）を含むこと
    可動部分（１０）が、金型の側面に沿って移動することができるパンチ（１１）と、射出ヘッド（２０）とをさらに含み、前記射出ヘッドが開口（２６）によりキャビティ（７）と連通する射出カラム（２２）を画定する壁（２１）を備えていること、及び
    下面を備えた下側部分（３２）、上側部分（３３）、及び凹み（３１）を含むピストン（３０）をさらに含み、前記ピストンが、射出カラム（２２）に沿って、その下面が射出ヘッドの壁及び開口と共に射出カラムの下部を画定する開位置と呼ばれる少なくとも１つの第１の位置と、ピストンが射出カラムの開口を遮断する少なくとも１つの第２の位置との間で移動することができること、
    を特徴とする、成形装置。
  2. 可動部分（１０）が、カラー（４０）をさらに含み、前記カラーが、パンチ（１１）の側面に沿って、カラー（４０）の下面がパンチの側面と共に開口（４４）を介してキャビティ（７）と連通する収縮空間（４２）を画定する開位置と呼ばれる少なくとも１つの第１の位置と、カラーが前記開口（４４）を遮断する閉位置と呼ばれる少なくとも１つの第２の位置との間で移動することができることを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。
  3. 収縮空間（４２）がパンチ（３０）内に位置する周辺の溝（４３）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の成形装置。
  4. 真空引きチャネル（１３）が、パンチ内に位置し、収縮空間からなるチャンバ（４２）内、又は前記収縮空間の周辺の溝（４３）内に開口するチャネルからなることを特徴とする、請求項２又は３に記載の成形装置。
  5. 射出ヘッド（２０）がその壁内に、樹脂を射出するための少なくとも１つの下部第１チャネル（２３．１）及び前記射出ヘッドからの樹脂の排出のための少なくとも１つの上部第１チャネル（２３．２）をさらに含み、前記第１の下部及び上部チャネルが直接上下に配置されて、ピストンの凹み及び射出ヘッドの壁と共に少なくとも１つの樹脂再循環回路を形成することを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。
  6. 射出ヘッド（２０）がその壁内に、樹脂を射出するための少なくとも１つの下部第２チャネル（２４．１）及び前記射出ヘッドからの樹脂の排出のための少なくとも１つの上部第２チャネル（２４．２）をさらに含み、前記第２の下部及び上部チャネルが直接上下に配置されて、ピストンの凹み及び射出ヘッドの壁と共に少なくとも１つの樹脂再循環回路を形成することを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。
  7. 射出ヘッド（２０）がその壁内に、樹脂を射出するためのｎ個の下部チャネル及び射出カラムから樹脂を排出するためのｍ個の上部チャネルを含み、ｎが２以上であり、ｍが２以上であり、ｎがｍと等しいか又は異なっていて、ｎがｍより小さければｎ個の樹脂再循環回路を形成し、又はｍがｎより小さいときはｍ個の再循環回路を形成することを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。
  8. 射出カラム（２２）の上側部分が、押し付けられることが意図され、ピストン（３０）の上側部分（３３）を受容することができる空間（２７）からなり、前記ピストンが、射出カラム（２２）に沿った前記ピストンの変位を可能にするために油圧式であることを特徴とする、請求項１に記載の成形装置。
  9. ポリマー樹脂及び繊維状基材を含む構造化又は半構造化された複合部材を製造する方法において、請求項１から８の何れか一項に記載の射出装置を使用して実施され、
    ａ）繊維状基材をキャビティ内に配置する工程と、
    ｂ）成形装置の可動部分内に位置する真空引きチャネルを介してキャビティ内を真空引きする工程と、
    ｃ）樹脂射出チャネルを介して既定量のポリマー樹脂をキャビティ内に射出することによって繊維状基材に含浸させ、次いで成形装置の可動部分により前記樹脂を圧縮する工程と
    を含むこと、及び
    キャビティ内の未射出樹脂を再循環させる工程をさらに含み、キャビティ内の未射出樹脂を再循環させる工程は樹脂圧縮工程の前、間、又は後に実施し得ること
    を特徴とする、製造方法。
  10. ポリマー樹脂の多成分射出、特に二成分射出を可能にすることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。
  11. 熱硬化性ポリエステル樹脂、熱硬化性ビニル−エステル樹脂、熱硬化性アクリル樹脂、前記熱硬化性ポリエステル、ビニル−エステル、及びアクリル樹脂の混合物、熱硬化性ポリウレタン樹脂、熱硬化性エポキシ樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、熱可塑性ポリアミド樹脂から選択される、二成分モードにおける請求項９又は１０に記載の製造方法を実施するための液体ポリマー樹脂。
  12. 請求項９又は１０に記載の製造方法を実施することによって得られ、自動車、道路輸送、鉄道輸送、海上輸送、及び航空、風力、太陽光発電、太陽（熱）、建築、土木工学、家具及び都市インフラストラクチャー、信号、スポーツ及びレジャー活動の分野に使用できることを特徴とする、構造化又は半構造化された複合部材。
  13. 残留する成形スプルーを含まず、離型後仕上げ処理をすることなく使用できることを特徴とする、請求項１２に記載の構造化又は半構造化された複合部材。
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