JP7037501B2 - ハイブリッドレイアップ成形型 - Google Patents

Description

本発明は、レイアップ成形型に関する。詳細には、本発明は、ハイブリッドレイアップ成形型に関する。より詳細には、本発明は、航空宇宙複合部品の製造に使用される成形型に関する。

（関連出願の相互参照）
この出願は、２０１６年１月１１日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６２／２７７，２６４号の本出願であり、図面を含むその開示内容全体は、引用により本明細書に組み入れられる。

本発明に関連する技術分野の当業者に知られているように、様々な航空宇宙構成部品又は部品の製造のための成形型を製作する際に炭素繊維（ＣＦ）複合材料及びＩｎｖａｒ（登録商標）合金を使用することは、十分に文書化されている。特に、米国特許第６，７５９，００２号、米国特許第８，５１１，３６２号、米国特許第６，１６８，３５８号、並びに欧州特許第０６４２９０４号、及び米国特許公開第２００９／０３５４１２号及び米国特許公開第２０１５／００９８３４号を参照されたい。

ＣＦ複合材料から製作された成形型は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）成形型と比較すると軽量であり、Ｉｎｖａｒ（登録商標）成形型よりも低い熱質量で特徴づけられる。従って、ＣＦ複合成形型は、加熱時間及び冷却時間が短く、これによって、オーブン又はオートクレーブにおけるサイクル時間の短縮が可能である。

ＣＦ強化複合材料は、様々なサイズのレイアップ成形型を製作するために使用されている。これらの成形型は、典型的には、エポキシ樹脂、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、ベンゾオキサジン、又は類似の樹脂から製作され、これらは、ＣＦ織物、テープ、短繊維マット、又は同等の材料で補強される。その後、成形型は、熱及び圧力を利用して硬化させる。このようにして製造された成形型は、ハンドレイアップ、テープレイイング、及びファイバープレースメント成形型製造法において使用される。このようなＣＦ複合材料レイアップ成形型は、典型的には、複合部品を作製するためにＣＦと共に使用される樹脂系に応じて、約２５０°Ｆ～約４２５°Ｆの範囲の処理温度又は硬化温度で用いられる。

より高い処理温度及び大量生産運転が必要とされる場合（すなわち、３５０°Ｆ以上）、このような成形型は、通常、Ｉｎｖａｒ（登録商標）３６又はＩｎｖａｒ（登録商標）４２鉄－ニッケル合金から製造又は製作される。Ｉｎｖａｒ（登録商標）３６成形型は、最大約５５０°Ｆまでの温度で有用であり、一方、Ｉｎｖａｒ（登録商標）４２成形型は、通常、最大約７００°Ｆまでの温度で用いられる。

従来のＩｎｖａｒ（登録商標）成形型は、通常、エッグクレート形状又は同様の支持構造体形状及び作業面を有するＩｎｖａｒ（登録商標）プレート材（ｐｌａｔｅ ｓｔｏｃｋ）から成形する。エッグクレート支持構造体を製作するために使用するプレートは、通常、約０．２５’’～約０．５０’’の範囲の厚さを有する。成形型の最終作業面は、一般的に、約０．５０’’～約１．０’’の範囲の初期厚さを有するプレートから製作される。

製作後、プレート材の作業面は、成形型上に積層されることになる複合部品の最終形状に機械加工される。これらのＩｎｖａｒ（登録商標）成形型の重量はＣＦ複合材料成形型の２～４倍なので、長い加熱及び冷却時間を必要とする高い熱質量を有する。

Ｉｎｖａｒ（登録商標）成形型の最大の利点は、交換を必要とすることなく、Ｉｎｖａｒ（登録商標）合金によって約３５０°Ｆ～約７００°Ｆの範囲の温度でほぼ無限の回数で繰り返すことができる能力である。逆に、ＣＦ複合成形型は、約２５０°Ｆ～約４００°Ｆの高温での使用時には、樹脂系及び使用温度によって、約５０～５００サイクルの有限寿命を有する。ＣＦ複合成形型は、寿命末期に近づくと劣化が始まり交換が必要となる。

米国特許第６，７５９，００２号明細書 米国特許第８，５１１，３６２号明細書 米国特許第６，１６８，３５８号明細書 欧州特許第０６４２９０４号明細書 米国特許公開第２００９／０３５４１２号明細書 米国特許公開第２０１５／００９８３４号明細書 米国特許公開第２００９／００３５４１２号明細書

従って、ＣＦ複合成形型及びＩｎｖａｒ（登録商標）成形型のそれぞれの有利な特性を単一の成形型に一体化することができると、明らかに、有益な終局製品を得るこができることを認識されたい。
本発明は、以下に詳細に説明するように、この目的を達成する成形型を提供する。

本発明は、ハイブリッド成形型を提供し、ハイブリッド成形型は、概して（ａ）エッグクレート支持構造体、（ｂ）Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面、及び（ｃ）ＣＦ複合材料オーバーレイを備える。

中間作業面は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）材料の単一シート又は複数の当接薄肉シートを備え、この複数の薄肉シートは、それぞれの当接シートに共に溶接され、次に、エッグクレート構造体に溶接されて、協働して堅固な真空気密のベース構造体を作るようになっている。

ＣＦ材料は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面上に置かれ、シーラントテープなどで真空バギングされ、その後、熱、圧力、及び／又は触媒硬化で中間作業面に接合される。

硬化及び接合後、ＣＦ材料は最終寸法に機械加工される。

本発明をより完全に理解することができるように、以下の詳細な説明及び添付図面を参照する。図面では、同様の参照文字は、いくつかの図を通して同様の部品を指す。

本明細書で使用するタイプのＩｎｖａｒ（登録商標）エッグクレート支持構造体の斜視図である。 本発明で使用する薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）エッグクレート支持構造体及びセグメント化薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）で形成されたシートの分解斜視図である。 薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）溶接エッグクレート支持構造体及びＩｎｖａｒ（登録商標）溶接セグメント化シートの斜視図である。 本発明によるＩｎｖａｒ（登録商標）エッグクレート支持構造体及びベース成形型を形成するＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面の斜視図である。 溶接されたＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面及びＣＦ複合材料オーバーレイを有する本発明のハイブリッド成形型の分解斜視図である。 図４と同様であるが、ハイブリッド成形型の最終作業面を生成するためにＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面に接合された機械加工仕上げＣＦ硬化オーバーレイを示す斜視図である。

本発明に従って、図面、特に図６を参照すると、ハイブリッド成形型２２が示されている。図面に示すように、ハイブリッド成形型は、概して（ａ）エッグクレート構造体１２、（ｂ）Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８、及び、ＣＦ複合材料オーバーレイ（ｃ）２０を備える。

より詳細には、エッグクレート構造体、つまりエッグクレート１２は、好ましくは、複数の離間したヘッダーボード１４から形成された単一構造体である。エッグクレートの製作において、各ヘッダーボード１４は共に溶接されて同種の構造体になる。通常、エッグクレート構造体は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）材料、すなわちＩｎｖａｒ（登録商標）３６又はＩｎｖａｒ（登録商標）４２から製作される。エッグクレートに使用するＩｎｖａｒ（登録商標）材料は、中間作業面に用いるもの、つまり「材料」と同じ又は異なるものとすることができる。好ましくは、エッグクレートを製作するために用いるヘッダーボード及び中間作業面の両方に同じＩｎｖａｒ（登録商標）材料を使用する。

ハイブリッド成形型の第２の構成要素は、中間作業面１８である。中間作業面１８は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）材料の単一シート又は複数の当接薄肉シート１６を備える。

好ましくは、複数の当接シートが使用される。当接シートは、その間に間隙又は継ぎ目１７を有する。各シート１６は、約０．１２５’’～約０．２００’’の範囲の厚さを有する。エッグクレートの頂部に配置した後、シート１６は、エッグクレートに仮付け溶接される。その後、シート１６の継ぎ目を共に溶接して真空気密の単一中間作業面１８を作る。

薄肉エッグクレート支持構造体１２及び中間作業面１８は、本技術分野で公知の何らかの適切な手段によって、それぞれの交差部で溶接される。共に溶接された完成エッグクレート支持構造体１２と、薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）シート１６の中間作業面１８とは全体でベース成形型１０を形成する。

その開示内容が引用によって本明細書に組み入れられる米国特許出願公開第２００９／００３５４１２号に示される、又は当業者によく知られている何らかの他の手段などの機械的取り付け手段を利用して、エッグクレート構造体１２と中間作業面１８とを接合することもできることに留意されたい。しかしながら、真空気密の中間作業面１８を保証するのを助けるために、エッグクレート構造体１２は中間作業面１８に溶接することが好ましい。

本発明のハイブリッド成形型２２の第３の構成要素は、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０であり、これは、中間作業面の上に置くか又は配置され、その後、シーラントテープなどによって中間作業面１８にバギング又はシールされる。その後、例えば、バギングされた成形型を真空の有無に関わらずオーブン又はオートクレーブに入れ、圧力、及び／又は真空と熱を組み合わせための、及び／又は樹脂を硬化させることができる何らかの触媒、並びにこれらを任意に組み合わせたものを加えことを含む何らかの適切な方法によって、オーバーレイ２０を中間作業面１８に接合する。ＣＦ複合材料オーバーレイ２０は、最小厚さ約０．２００’’のＣＦ複合材料である。

好ましくは、図６に示すように、Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８とＣＦ複合材料オーバーレイ２０との間の接合は、（ａ）ＣＦ複合材料オーバーレイ２０を中間作業面１８上に置くか又はレイアップし、（ｂ）ＣＦ複合材料オーバーレイ２０及び中間作業面１８を真空バギングし、（ｃ）ＣＦ複合材料オーバーレイ２０を有する真空バギングされたベース成形型１０をオーブン又はオートクレーブに入れ、樹脂を硬化させてこれを中間作業面に接合することによって達成される。オーブン又はオートクレーブは、約３０～約３００分の間に約２５０°Ｆ～約４５０°Ｆの範囲の温度、及び０ｐｓｉｇ～約１５０ｐｓｉの範囲の圧力に維持され、一方で、バギングされた複合材料オーバーレイ２０は、約－１４．７ｐｓｉｇ～０ｐｓｉｇの範囲の真空圧中に保持される。

その結果は、中間作業面１８に接合された硬化ＣＦ複合材料である。

硬化及び接合プロセス後、このように製作されたＣＦ複合材料２０は、最終寸法に機械加工され、これにより、ハイブリッド成形型２２の複合部品レイアップ面、つまり最終作業面が形成される。

最終作業面の最終寸法への機械加工は、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０をＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８に接合した後に行われることに留意することが重要である。

オーバーレイ２０を準備する際に、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０の製造に使用することができる有用なＣＦ材料としては、例えば、ＣＦ織物、短繊維ＣＦマット、ＣＦ一方向マット、ＣＦ一方向テープ、縫合ＣＦ多層マット、及びＣＦランダム配向織物を挙げることができ、これらの全てはよく知られており、市販されている。

使用される場合、短繊維マットは、単独で又は様々な他の繊維強化材料と併せて使用することができる。また、一方向マット、一方向テープ、及び縫合多層マットの使用は、補強及び高耐久性に適している織物と組み合わせることができる。

本発明で使用するＣＦ複合材料２０自体は、例えば、予備含浸又はプレプレグ織物システム、ＣＦ樹脂注入織物、シート成形複合物、プレス成形複合材料、マッチ成形又はブラダ成形複合物、湿式積層材料などを含む、当業者によく知られている何らかの適切なプロセスによって製造することができる。

シート成形複合物は、プレス成形構成要素を伴う状況において典型的に使用される繊維強化熱硬化性材料である。シート成形複合物は、一般的に、ポリマー樹脂、不活性充填剤、繊維強化材、触媒、顔料、安定剤、増粘剤などの混合物を含む。シート成形複合物を製造する際に、ＣＦ材料は、別々の上層及び下層に分割され、自己接着を防止するためにポリエチレン又はナイロンブラステックフィルムで被覆される。シート成形複合物は、通常、下層に沿って均一に広げられている、これと混合している短繊維を有するペーストの形である。最後に、上層及び下層をサンドイッチして所定の厚さに巻き取る。

使用できるＣＦ樹脂性複合材料は、一般的に乾式織物プリフォームを含むＣＦ樹脂注入材料を使用して製作され、エポキシ、ＢＭＩ、又は同様の樹脂系は、真空圧のみを使用してプリフォームへ引き込まれる。樹脂注入材料は、真空下で、所望温度の熱によって硬化する。

ＣＦプリプレグシステムは、ＣＦに樹脂系を予備含浸するプロセスを伴う。熱硬化樹脂及び熱可塑性樹脂の両方は、含浸剤として使用することができ、例えば、フェノール樹脂、熱可塑性樹脂（ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）など）、ＢＭＩ樹脂、ＰＭＲ（例えば、ＰＭＲ－１５）など、並びに、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、シアン酸エステル、ポリイミド、アクリル樹脂、及びその混合物又は均等物を含む。

また、熱可塑性ＣＦハイブリッド複合材料、並びに、例えば、カルシウム、石こう、バインダ樹脂を有するセラミック、鉱物系パテ、スラリ、ブレンドなどの吹付け可能な無機材料を使用することができる。

また、ケブラーはＣＦの代用品として使用することができる。

本発明のハイブリッド成形型２２を製造する際に、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０は、エッグクレート支持構造体１２と中間作業面１８とを組み付けて、共に溶接し、洗浄し、サンドブラスト処理した後に、施工される。

好ましくは、ＣＦ複合材料は、多層の織り又は短繊維の予備含浸織物である。材料は、使用温度及び成形型から予期される繰り返し回数に応じて、エポキシ又はＢＭＩ樹脂系のいずれかを含浸することができる。その後、この材料は、オートクレーブ又はオーブン硬化させて中間作業面１８に接合する。

さらに、ハイブリッド成形型２２の真空完全性は、Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８によって達成され、機械加工されたＣＦ複合材料２０の真空完全性に左右されないことに留意する必要がある。

５０～５００サイクル後、ＣＦ複合材料２０は、交換を必要とする場合がある。交換は、ＣＦ複合材料２０をＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８から除去し、ハイブリッド成形型２２をオーブンに入れ、ハイブリッド成形型２２を樹脂の熱劣化温度を超えて、しかし、Ｉｎｖａｒ（登録商標）が変形するか、さもなければ影響を受ける可能性がある温度よりも低い温度まで昇温することによって行う。ハイブリッド成形型２２は、樹脂を劣化させるのに十分な期間にわたってオーブン内に保持され、これによって、劣化したＣＦ複合材料２０を取り除くことができ、同時に、Ｉｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８の簡単な清浄化又はサンドブラスト処理を行うこともできる。

その後、新しいＣＦ複合材料２０をレイアップし、前述した方法でＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８上へ接合し、その後。機械加工して仕上げる。

追加のＣＦ複合材料を既存のＣＦオーバーレイ上へ接合することによって、単純に既存のＣＦ複合材料ＣＦ２０の上に追加することも可能である。これによって、全く新しい成形型を作り直すことなく、ハイブリッド成形型２２に小さな変更を行うことができる。

本発明の重要な利点は、成型品への表面変更の統合化の効果であることは明らかであり、その理由は、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０がＩｎｖａｒ（登録商標）中間作業面１８に接合されるまでハイブリッド成形型２２の機械加工を行わないからである。

本発明のハイブリッド成形型２２は、プレート材から製作された対称形のエッグクレート支持構造体１２を備えるものとして図示及び説明されていることにさらに留意する必要がある。しかしながら、ハイブリッド成形型２２は、製作される部品の形状に応じて異なる構成を有し得ることを理解されたい。同様に、プレート材の代わりに、円筒形、矩形、又は他の幾何形状とすることができる筒状要素を使用することができる。

さらに、本発明を実施する際に、ＣＦ複合材料２０の中間作業面１８への実際の接合は、真空下で、加熱オーブン又は加熱オートクレーブ内で行われることを容易に理解することができる。同様に、航空宇宙複合部品の実際の成型は、加熱オーブン又は加熱オートクレーブ内で製品が真空バッグの内部にある状態で実行される。従って、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０の機械加工面は、製造される複合部品の最終作業面になる。

ハイブリッド成形型２２のＣＦ複合材料オーバーレイ２０は、周囲室温を上回る熱風に直接晒されることが全くないので、より長いサイクル性能がもたらされることも留意されたい。このことは、ＣＦ複合材料オーバーレイ２０及び複合部品が、オーブン又はオートクレーブでの硬化時にＩｎｖａｒ（登録商標）ベース成形型１０の中間作業面１８に対してシールされている真空バッグ内に完全に入っているので達成される。

従来のＣＦ複合成形型と比較すると、本発明の追加的で重要な利点は、従来のＣＦ複合成形型が、ＣＦ複合作業面を形成するために使用されるマスター成形型又はパターンを必要とする点である。このマスター成形型又はパターンは、従来のＣＦ複合成形型を製造するために必要とされる時間及びコストのかなりの部分を占める。本発明のハイブリッド成形型は、輪郭形成されたＣＦ複合材料構成要素をハイブリッド成形型２２の最終作業面から製作する手段として、薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）エッグクレート構造体１２及び薄肉中間作業面１８を利用することによって、マスター成形型又はパターンを不要とする。薄肉Ｉｎｖａｒ（登録商標）成形型及びＣＦ複合材料成形型の両方の好ましい特性を統合することによって、本発明は、現在使用されているＩｎｖａｒ（登録商標）又はＣＦ複合材料のいずれかから作製された従来の成形型と比べて優位性を示す。

本発明は、航空宇宙構成部品の製造を参照して説明してきたが、本発明の成形型は、航空宇宙産業だけではなく、自動車業界なども含めて、複合部品の高温成形が望まれるか又は必要な何らかの環境において使用できることを認識されたい。

前述の説明から、本発明は、全てＩｎｖａｒ（登録商標）の成形型よりも低い熱質量を有するハイブリッド成形型２２を提供することが明らかである。ハイブリッド成形型２２の真空完全性は、従来のＣＦ複合成形型の場合と同様にＣＦ複合材料２０ではなく中間作業面１８から得られ、これによって、成形型に対して、より簡単な再構成又はＣＦ複合オーバーレイ交換選択肢でもって、従来の複合成形型よりも長い耐用年数を与え得ることも認識されたい。
本発明は前述のとおりであり、以下に特許請求の範囲を記載する。

Claims (8)

1. ハイブリッドレイアップ成形型であって、
   鉄－ニッケル・エッグクレート構造体と、
   前記エッグクレート構造体に固定された鉄－ニッケル合金・中間作業面であって、前記エッグクレート構造体及び前記中間作業面は、協働してベース成形型を定める、鉄－ニッケル合金・中間作業面と、
   前記中間作業面に接合された炭素繊維複合材料オーバーレイと、
   を備えており、
   前記レイアップ成形型は、機械的取り付け手段が不要であり、前記エッグクレート構造体は、共に溶接されたヘッダーボードから形成され、前記中間作業面は、前記エッグクレート構造体上に溶接されている、ハイブリッドレイアップ成形型。
2. 前記鉄－ニッケル合金は、３６％のニッケル含有量を有する鉄－ニッケル合金及び４１％のニッケル含有量を有する鉄－ニッケル合金から成る群から選択される、請求項１に記載のレイアップ成形型。
3. 前記エッグクレート構造体及び前記中間作業面は、同じ鉄－ニッケル合金を含む、請求項１に記載のレイアップ成形型。
4. 前記中間作業面は、前記鉄－ニッケル合金の複数の当接薄肉シートを含み、前記シートの間の各当接部は、完全に溶接された継ぎ目を定める、請求項１に記載のレイアップ成形型。
5. 前記ＣＦ複合材料オーバーレイのための前記炭素繊維材料は、ＣＦ織物、短繊維ＣＦマット、ＣＦ一方向マット、ＣＦ一方向テープ、縫合ＣＦ多層マット、及びＣＦランダム配向織物から成る群から選択される、請求項１に記載のレイアップ成形型。
6. 前記ＣＦ複合材料は、予備含浸織物システム、ＣＦ樹脂注入織物、シート成形複合物、プレス成形複合材料、マッチ成形又はブラダ成形複合物、及び湿式積層材料から成る群から選択される、請求項５に記載のレイアップ成形型。
7. 前記ＣＦ複合材料は、エポキシ、ベンゾオキサジン、又はＢＭＩ含浸多層織布又は短繊維マットである、請求項６に記載のレイアップ成形型。
8. 前記ＣＦ複合材料は、予備含浸織物であり、含浸剤は、フェノール樹脂、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ＢＭＩ樹脂、ＰＭＲ、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、シアン酸エステル、ポリイミド、アクリル樹脂、並びにその混合物から成る群から選択される、請求項６に記載のレイアップ成形型。

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