JP7156766B2 - 繊維強化成形コンパウンド並びにその形成及び使用方法 - Google Patents

Description

本開示は、例えば押出機及び成形システムで使用するための、繊維強化成形コンパウンド並びにその形成及び使用方法に関する。

繊維強化複合材料には一般に、マトリックス材料を構成するポリマー材料と強化材料の２つの主要成分が含まれる。ポリマー材料は、ニート樹脂、混合物、ブレンド、化合物又はそれらの組合せであってよい。ポリマー材料には、添加剤，充填材、安定剤、顔料及び／又はその他の成分が含まれてもよい。強化材料は、サイズ剤を含み得る繊維であってよい。

一般的にポリマー材料と強化材料は異なる性質を持ち、それらを組み合わせると中間的な性質を有する複合材料が形成される。例えば、ポリマー材料は比較的強度が低いが、比較的高い伸び特性を持ち得る。これに対し、強化材料は非常に強度が高いが比較的脆いことがある。複合材料から得られる複合プラスチック部品は、ポリマー材料の強度より大きい強度である一方で、強化材料に比較して相対的に靭性もある可能性がある。

射出成形は、複合プラスチック部品の製造に最も広く使用されるプロセスの１つである。一般的な１つの射出成形プロセスでは、有限の長さを有するペレットを利用する。これは前もって準備されて射出成形機に分配される。そのようなペレットは、予め含浸された繊維を含む複合材料であってよく、樹脂は、本明細書ではフィラメントとも称する、各個別の繊維を実質的に湿潤又は含浸する。あるいは、そのようなペレットは、ワイヤ被覆ペレットの形で一緒に添加された複合材料成分を含むことがある。この場合、樹脂が実質的な含浸や湿潤なしで強化繊維の塊の外側を封じ込む。したがって、実質的な湿潤及び含浸を達成するために、押出機内部で十分な混合を必要とする。短繊維ペレットは、ポリマー材料（例えば樹脂）内にランダムにブレンドされた繊維を含む。長繊維ペレットは、一方向性繊維を含み得る。ペレットの長さは典型的には、それより長いと搬送及び分配が困難となるために、１インチ以下に制限されることがある。ペレットは射出成形機の押出機の中へ供給される。それと同時に、得られる複合材料に関連する機能の導入のために、射出成形機にそのほかのタイプのペレットを供給可能である。他のタイプのペレットとしては、例えば特定された主要ポリマーと任意選択的に少量の安定剤及び／又は添加材のみを含むペレットなどのニート樹脂ペレット、及び添加剤及び／又は充填材と組み合わせた樹脂含有ペレットとがある。ペレットは、冷えた固体状態で押出機に導入されて、ペレット同士の粘着及び／又は押出機への供給路の閉塞が防止される。ペレットを押出機内へ分配した後、ペレットはブレンドもされて成形のための一様なコンパウンドに均質化されるために、ペレットは押出機によってかなりの剪断力を受けて樹脂が加熱、溶融される。剪断力、固体－融体界面、及び／又はこのプロセス（可塑化）中の摩擦力により、繊維の長さが大幅に短縮される。

射出成形の代替形態としては、インライン型のコンパウンド化法がある。これはガラス強化繊維の乾燥した（例えば、潜在的にサイジング以外のポリマーで湿潤されていない）トウ（短屑）を樹脂に曝すか、溶融ストリームの中に導入するもので、実質的な湿潤と含浸を達成するために押出機内でかなりの混合を必要とする。このプロセスでは、繊維は樹脂内で分散され、かつ樹脂によって湿潤されて、必要に応じて切断され、その後、ブレンド、混合及び／又は均質化されて金型へ射出するための一様な密度のコンパウンドとされて射出成形部品を製造する。

圧縮成形は、プラスチック部品製造に使用される別のプロセスであり、成形コンパウンドを、開放されて温度制御された金型空洞に配置して、射出成形に典型的に必要なランナーシステムをなくして繊維を剪断力に曝すことを減らす。金型を閉鎖して圧力を印加し、成形コンパウンドを金型空洞の全領域に押し出す。このステップの間、温度及び圧力を維持して、熱硬化性成形コンパウンドを硬化させ、又は熱可塑性コンパウンドを凝固させる。圧縮成形は、複雑で高強度の繊維強化部品の成形に使用可能である。成形コンパウンドを含む材料は金型内に、熱可塑性フレーク（これは金型内部で溶融されてその後金型により冷却される）、バルクの熱硬化性又は熱可塑性の成形コンパウンドの押出成形物、熱硬化性又は熱可塑性の成形コンパウンドのシート、あるいはこれらの形態の組み合わせで装填可能である。

圧縮成形の代替形式には、業界ではＬＦＴ－Ｄ（Ｌｏｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ－Ｄｉｒｅｃｔ）として知られる、インライン式のコンパウンド化方式がある。ここで再び、押出成形物の形態の複合プラスチック成形コンパウンドはインラインで製造され、ガラス強化繊維の乾燥したトウが樹脂に曝され、及び／又は樹脂の溶融ストリーム中に導入されて、押出機の中でかなりの混合を要して、実質的な湿潤と含浸が達成される。繊維は樹脂内で分散されて湿潤され、必要に応じてブレンド、混合及び／又は均質化によって切断されて成形用の均一なコンパウンドとなる。ＬＦＴ－Ｄでは、溶融コンパウンドが圧縮金型内に直接導入される。

様々な押出プロセスもまた、プラスチック部品の直接製造に利用される。そのようなプロセスは、成形コンパウンドから形状製品の押出に使用可能である。押出は断面形状が一定の部品の製造に使用される。ペレット形状の複合又はポリマー材料が、押出機に供給され、そこで複合材料又はポリマー材料が加熱、軟化される。成形コンパウンドはダイを通して、恐らくは冷水の中に押し出され、そこで固化して押出製品となる。押出を利用して、表面仕上げの極めて優れた、非常に複雑な断面を生成可能である。

ブロー成形はプラスチック部品製造の別のプロセスである。ブロー成形は中空のプラスチック部品の製造に使用される。ブロー成形プロセスは典型的にはペレットから成形コンパウンドを準備することから始まり、それをパリソンに成形する。パリソンは、圧縮空気を通すことができる穴が一端に開いた、チューブ状の溶融材料ピースである。パリソンは次に金型内にクランプされ、中に空気が吹き込まれる。そうして、空気圧が溶融材料を外に押し出して金型の形に合わせる。溶融材料が冷却されて、硬化すると、金型を開いてプラスチック部品が放出される。

繊維強化成形コンパウンド、並びにその形成方法及び使用方法に関する実施形態が開示される。

一方法では、予め含浸された強化フィラメントと第２のポリマー材料（これは第１のポリマー材料よりも高い第２の融点を有し得る）とを含む複合材料を溶融ストリーム中に添加することを含んでもよい。別の方法では、ポリマー材料で予め含浸された炭素強化フィラメントを含む複合材料を溶融ストリーム中に添加することを含んでもよい。さらに別の方法では、押出プロセスのオフラインで炭素強化フィラメントをポリマー材料で予め含浸させて、予め含浸されたストランドを形成してもよい。別の方法では、押出プロセスのオフラインで強化フィラメントをポリマー材料で予め含浸させて、予め含浸されたテープを形成してもよい。更なる方法では、ポリマー材料で予め含浸された強化フィラメントを含む、一つ又は複数の所定形状をした予め含浸されたフレークの形成が含まれてもよい。ポリマー材料は、強化フィラメントの少なくとも３０％を保護し得る。

一実施形態による圧縮成形のための押出システムの概略図である。 一実施形態による連続ストランドテープ材料の平面図である。 図２Ａに示す連続ストランドテープ材料の側面図である。 一実施形態による加熱システムの概略図である。 予め含浸されたフレークに分割された、予め含浸されたストランドの平面図である。 テープ形状の予め含浸されたストランドを予め含浸されたフレークに分割するための切断装置の概略図である。 テープ形状の予め含浸されたストランドをフレークに分割する別方式の概略図である。 テープ形状の予め含浸されたストランドをフレークに分割する別方式の概略図である。 テープ形状の予め含浸されたストランドをフレークに分割する別方式の概略図である。 一実施形態による圧縮成形のための押出システムの概略図である。 一実施形態による押出システムの図である。 別の実施形態による押出システムの図である。 予め含浸された連続ストランドの断面の例を示す図である。 予め含浸された連続ストランドの断面の例を示す図である。 予め含浸された連続ストランドの断面の例を示す図である。 予め含浸された連続ストランドの断面の例を示す図である。 更に別の実施形態による押出システムの図である。

本開示の実施形態を説明する。ただし、開示の実施形態は単なる例であり、他の実施形態が様々な代替する形態をとることができることを理解されたい。図は必ずしも縮尺通りではない。ある部分が誇張又は最小化されて特定の構成要素の詳細を示すこともある。したがって、本明細書に開示の特定の構造及び機能の詳細はそれに限定されるものではなく、当業者に実施形態を様々に使用するように教示する、単なる代表的な基礎として解釈されるべきである。当業者には理解されるように、任意の図を参照して図示及び説明される様々な特徴は、１つ以上の他の図に示される特徴と組み合わせて、明示的に図示又は説明されていない実施形態を作ることが可能である。図示される特徴の組み合わせにより、典型的な用途の代表的実施形態が提供される。ただし、本開示の教示に一致する特徴と様々な組み合わせ及び修正が、特定の用途又は実施には望ましい場合がある。

本明細書においては「約」という用語を使用して、開示又は特許請求する実施形態を説明する場合がある。「約」という用語は、本開示で開示又は特許請求する値を修正する場合がある。そのような場合には、「約」は、それが修飾する値が、その値の±０％、０．１％、０．５％、１％、２％、３％、４％、５％又は１０％以内であることを表し得る。

上で説明したように、繊維強化材料をコンパウンド化するとき、繊維は剪断及び混合作用を受けることがある。例えば、予め成形されたペレットが使用されるとき、可塑化中の固体－融体界面が繊維の長さを顕著に低減する。まだ溶融していない（例えばまだ固体の）ペレットが融体内で繊維と接触する可能性があり、これが繊維に損傷及び／又は破断を与え得る。この破断は融体内の、そして究極的には最終製品の繊維の長さを低減しうる。一般に、最終製品の繊維長は、最終製品の品質又は性質に正の相関を持ち得る。例えば、複合材料に（例えば引張強度の）高強度の繊維が含まれる場合、最終製品の全体強度は、含まれる繊維の保持された長さが大きいほど、一般的に高くなる。

すべての強化繊維にとって、繊維の損傷と繊維の長さが重要な因子であり得るが、いくつかの種類の繊維は他よりもより堅牢である。炭素繊維は、強くて剛性がある一方で、例えばガラス繊維に比べると一般的に極めて脆い。炭素繊維はしたがって、混合による剪断、乾燥繊維間の摩擦、及び／又はペレットコンパウンドのための固体－融体界面により、損傷を特に受けやすい。例えば射出成形又は圧縮成形のためにインラインでコンパウンド化するときなどの、乾燥したトウ又はあまり含浸も湿潤もされていない樹脂で被包されたトウを溶融ストリーム中に導入する場合、乾燥繊維間の摩擦、並びに溶融ストリーム内で炭素繊維を分散及び湿潤させるための作業が炭素繊維に重度な損傷と繊維長さの重度な減少をもたらすことが多い。上記のように、この損傷及び破断は、成形部品の機械的性能を著しく減少させることがある。さらに、繊維と繊維の摩擦並びに繊維濃度が高いときの摩擦による発熱は、樹脂を熱的に劣化させるか又は（熱硬化性樹脂に）早すぎる硬化開始をもたらし得る。予め含浸がされていない炭素繊維トウでは、体積率（Ｖｆ）で１０％程度しか、顕著な繊維損傷を示さない。体積率が２０％から３０％へ上昇すると、引張強度が減少する。４０％を超える体積率になると、摩擦による制御不能の熱発生により樹脂劣化が引き起こされて、持続可能でなくなることが示されている。

したがって、強化繊維に対する損傷を低減するための材料、システム及び方法がなお必要とされている。具体的には、炭素繊維への損傷を低減し、完成した複合部品の繊維長を長くするための方法があれば有益である。本明細書における１つ以上の実施形態において、押出プロセスのオフラインで、精密かつ入念な操作条件の下で製造された強化繊維を含む予め含浸された複合材料を使用して、特に炭素繊維に対して繊維への損傷を低減して繊維長を増加させる複数の手法が提案される。一実施形態において、強化繊維を含む予め含浸された複合材料の連続ストランドを、成形コンパウンドの一部または全体として使用することができる。別の実施形態では、厚さに対する面積比の非常に高い予め含浸された複合材料が、例えば、連続テープ又はフレークとして成形コンパウンドの一部またはすべてとして使用されてもよい。さらに別の実施形態では、予め含浸された複合材料が、確立された溶融ストリーム内に導入されてもよい。溶融ストリームは、１つ以上のポリマー、添加剤、充填材及び／又は他の構成要素を含むことができる。これらの手法をさらに組み合わせて、各手法の利点又は相乗的な利点を有する付加的なプロセスを生成してもよい。

図１を参照すると、圧縮成形のための押出システム１０の概略図が示されている。システム１０は押出機１２を含んでもよい。これはスクリュー押出機であってもよい。押出機１２は１つのスクリュー１４を含んでもよい。あるいは２軸スクリュー押出機であってもよい。押出機１２は、押出機１２の後端又は後部２０に、例えば予め含浸された連続ストランド１８などの原材料を受けるための入口ポート１６を含んでよい。スクリュー１４が予め含浸された連続ストランド１８を押出機内で前進させて、その移動中に回転、切断、混合、剪断及び／又は加熱をして、材料が押出機１２の前端又は前部２４に達するまでに成形コンパウンド２２を調整する。

押出機１２の前端２４にはダイ２６があって、そこに開口を画定してもよい。成形コンパウンド２２はスクリュー１４からの圧力により、ダイ２６を強制的に貫通させられてもよい。図１に示すような圧縮成形システムの場合、ダイ２６は成形コンパウンド２２をブランク２８に成形することができる。ブランク２８は次いで、金型３２を有する圧縮プレス３０に供給されてもよい。ブランク２８は、金型への直接押出し、又は射出ポットから射出を介する、任意の適切な方法で金型３２に輸送されてよい。ブランク２８は押出機１２から、コンベヤベルト３４を介してプレス３０へ輸送されてもよい。ブランク２８は次に、任意の適切な方法を使用して、例えば図に示すようにロボット３６によって、金型３２内に装填されてよい。ブランク２８は金型３２に装填されたときは、溶融して柔軟な状態であり、金型３２が閉じるとブランク２８が金型３２の空洞の形に一致して、所望の部品形状をした金型空洞の形状となる。熱可塑性の成形コンパウンドでは、部品の冷却を加速するために金型３２に冷却チャネルが含まれる場合もある。部品が成形され、その形状を保持できるほどに冷却されると、部品は金型３２から放出される。熱硬化性成形コンパウンドでは、金型３２内部に加熱チャネルが含まれて材料の化学的硬化を加速してから、部品が剛体状態で金型から放出される。

予め含浸された連続ストランド１８は、ポリマー材料と強化繊維とを含むことができる。ポリマー材料は熱可塑性又は熱硬化性のポリマー材料であってよい。ポリマー材料は、予め含浸された連続ストランド１８の製造プロセス用に調整することができる。例えば、融体の流れが早いほど低粘度の樹脂を使用して、繊維の湿潤及び含浸を促進可能である。

繊維は任意の適切な強化材料であってよく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、合成繊維（アラミド又は超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）など）、天然繊維、又はそれらの組み合わせであってよい。繊維の、寸法及び数などの形状因子は繊維の種類に依存し得る。例えば、炭素繊維は一般的に繊維トウに束ねられ、そこには数千（例えば、１ｋ、３ｋ、６ｋ、１２ｋ、２４ｋ、５０ｋ又はその他のサイズ、ここで“ｋ”は１０００を表す）の個別のカーボンフィラメントが含まれ得る。

予め含浸された連続ストランド１８は、テープ又はコード（例えば円形または楕円形の断面をした）の形式であり得る。図２Ａと図２Ｂに示すように、予め含浸された連続テープ４６はポリマー材料４４内に連続繊維４２を含む。本明細書で使用するように、連続繊維は、予め含浸された連続テープ４６の全長又は全幅にわたり破断されていないようなものであってよい。繊維４２は実質的に単一方向に配置されてもよい。それは予め含浸された連続テープ４６（例えば図２Ａに示すような）の長さに平行であってもよい。他の実施形態では、繊維は有限の長さであってもよいし、あるいは有限の長さと連続繊維の組み合わせであってもよい。予め含浸された連続テープ４６の長さは、以下の値の任意のもの、あるいは以下の値の内の任意の２つの範囲内であってもよい：０．０１、０．１、１、２、３、４、５、１０、５０又は１００キロメートル。長尺の予め含浸された連続ストランドの大きな長さは、ロール又はスプール上に収集されてもよい。ロールから拡げられた予め含浸された連続テープ４６の一部の上面図が図２Ａに示され、側面図が図２Ｂに示されている。予め含浸された連続テープ４６は、相対的に大きな幅（Ｗ）（図２Ａ）と相対的に小さい厚さ（Ｔ）（図２Ｂ）とを有してもよい。Ｗは、以下の値の任意のもの、あるいは以下の値の内の任意の２つの範囲内であってもよい：６、６０、１２０、１８０、２４０、３００、３６０、４２０、４８０、５４０及び６００ミリメートル。Ｔは、以下の値の任意のもの、あるいは以下の値の内の任意の２つの範囲内であってもよい：０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４，０．５及び１．０ミリメートル。

少なくとも１つの実施形態において、予め含浸された連続テープ４６の繊維４２は、ポリマー材料４４によって実質的に湿潤されて含浸される。本明細書で使用されるように、実質的に湿潤及び含浸されるとは、各フィラメントがポリマー材料内で大きく被覆されるか、あるいはポリマー材料によって他のフィラメントから分離されることによって保護される材料のことを表し得る。実質的に湿潤及び含浸されるということは、実際的にすべてのフィラメントがポリマー材料内で大幅に被覆されるかそれによって保護されることと、それぞれのフィラメントがポリマー材料内で大幅に被覆されるかそれによって囲まれることのいずれか又は両方を意味し得る。

顕微鏡法は、例えば連続ストランドなどの予め含浸された複合材料内の湿潤及び含浸の評価に有益であり得る技術である。光学顕微鏡、赤外顕微鏡及び電子顕微鏡を適用して、ポリマー材料、例えば樹脂により、後続のプロセス中に他のフィラメントに直接接触しないように保護された、試料片内の個別のフィラメントを特定してカウントすることに適用できる。フィラメント全数中の保護されたフィラメントのパーセンテージにより、湿潤及び含浸の程度を定量化することができる。例えば、サンプルの断面は、予め含浸された複合材料にある各繊維軸に対して準備することが可能である。各サンプルの断面は、個別のフィラメント端部を識別できる十分な倍率で観察可能である。フィラメントは、ポリマー材料がフィラメントを完全に包囲して、そのフィラメントと隣接するフィラメントの間にバリアが完全に形成された場合、保護されているとみなすことができる。ポリマー材料がそのフィラメントの周囲のそれ以外の場所にある場合には、他のフィラメントとの点接触は許容される。フィラメントに接触する空洞は、そのフィラメントと空洞がポリマー材料により完全に被包されていれば許容される。フィラメントに隣接していないがそのポリマー材料内に分散されている空洞は、測定には全く影響がない。統計的に有意なサンプルサイズのデータを収集して解析して、フィラメント総数に対する湿潤及び含浸されたフィラメントのパーセンテージが得られる。

トウへの適切な調質と分散の取り組み、並びに押出機に入る前に繊維の束にポリマー材料を慎重に作用させることをしないで、添加の目的で繊維のトウを樹脂に曝すような、不適切な湿潤をすると、押出機内での混合中に繊維間での摩擦が増加する結果となる。またより大きな作用（剪断）を溶融ストリームに与えて繊維の残りの束を開いて湿潤と含浸を達成するスクリュー設計を必要とする可能性がある。結果として、成形コンパウンド内の繊維の長さをあまり保持できず、炭素繊維の平均繊維長が典型的には２ｍｍ以下となり、より多くの場合には平均繊維長が１ｍｍ未満となる。張力下での含浸時に、トウの適切な調質と操作が行われるオフライン（例えば押出機内ではない）で製造される、例えば連続ストランドなどの予め含浸した複合材料は、実質的に湿潤して含浸されたストランドを提供し、フィラメント総数に対する、湿潤して含浸されたフィラメントの数は３０％、５０％、７５％、９５％又は９８％よりも大きい。事前の含浸水準が高ければ、プロセス中に繊維長が保持されて、成形部品の性能が高くなる。

実質的な湿潤を実行するためには、予め含浸された複合材料を生成するときに複数のパラメータの正確な制御を必要とすることがある。特定の複合材料では他のものよりもよりレベルの高い制御を必要とし得る。例えば、炭素繊維の実質的な含浸又は湿潤は、その物理的性質とフィラメント径が小さいことにより、ガラス繊維などの他の大部分の繊維の種類よりも一般的に達成がはるかに難しい。例えば、特定のインラインのコンパウンド化プロセスのための連続的な粗紡糸として通常使用されるＥガラス繊維は、フィラメント直径が１４～２４ミクロンで破断前の伸びは４．５％～４．９％に近い。これに対し、炭素繊維は一般的にフィラメント直径が５～１０ミクロンに近く、炭素繊維の靭性及び強度はガラス繊維よりはるかに優れているものの、破断前の伸びは高弾性率繊維の０．７％未満から高強度繊維の約２．２％の範囲である。炭素繊維の実質的な湿潤には、正確かつ慎重な繊維張力の制御、個別のフィラメントの相互接触から解放して表面積を増大させるためのトウの分散、サイジング（化学的表面処理）内の湿度除去のための繊維の乾燥、ポリマー材料の融点近く又は融点を超える温度までの繊維の予備加熱、繊維への樹脂の精密な塗布、及び各フィラメントの湿潤及び含浸が実行されている間の曲げや横方向剪断、又は加熱、加圧下での長時間保持を最小化する慎重かつ反復する操作、が必要となり得る。この正確かつ慎重な制御は、１対のニップローラでの単純なローラ把持では達成されない。また炭素繊維のトウを樹脂に接したチャネル又はダイを通して線引きすることでも達成されない。そこではフィラメントが破断して堆積し、チャネル又はダイでの炭素繊維トウの線引きの障害となる。

サイジング剤は一般的にフィラメントに塗布される複雑な化学混合物であり、多種の組成、例えば皮膜形成剤、カップリング剤、樹脂、及び／又は他の化合物を含む。サイジング剤は一般的には、有機溶媒を用いた分散液又は溶液として、あるいは水ベースの溶液又は分散液として塗布することができる。サイジング剤の非制限的な機能には、（１）フィラメントを製織などの後続処理中の摩耗から保護すること、（２）静電気を制御すること、（３）フィラメントと後続の工程で塗布される樹脂との間の化学結合を促進すること、が含まれる。

マトリックス材料の主要機能が繊維間の荷重移動を促進して、繊維を外力又は環境による損傷から保護することであるという点で、サイジング剤はマトリックス材料とは異なっている。さらに、マトリックス材料は炭素繊維よりも破断歪が高く、複合材料の靭性に寄与できる。乾燥するとサイジングは個別のフィラメント同士を緩く保持する。

複合材料の繊維、特に炭素繊維を実質的に湿潤させることの相対的な難しさに加え、複合材料を直接コンパウンド化することもまた課題を有する。そのような課題、特に炭素繊維に対する課題の１つがスループットである。実質的な繊維の含浸又は湿潤は、上で述べたように高いレベルの制御を必要とすることがある。したがって、予め含浸された連続ストランドを生成することができる速度を、直接コンパウンド化システムでは達成できない可能性がある。一例では、１，０００テクス（１，０００メートル当たりのグラム数）のフィラメントをそれぞれ２４ｋ個有する炭素繊維トウを５０個ほど、毎分１０メートルで含浸させるとすると、約６０ｋｇの予め含浸された連続ストランドを製造することができる。ただし、典型的な成形又は押出プロセスでは、はるかに大きい、例えば一桁以上大きい量の原材料が必要とされるであろう。

したがって、少なくとも１つの実施形態において、予め含浸された連続ストランド１８は押出工程前に（例えばオフラインプロセスで）完全に製造されてもよい。予め含浸された連続ストランド１８は、完全な固体の入力すなわち開始材料であってよく、かつロール又はスプールとして形成されてよい。予め含浸された連続ストランドの形成は、したがって押出工程から完全に切り離すことができる。これにより、各プロセスはそれ自身の操作条件を用いて遂行可能となり、各プロセスに対する最適化が可能である。また、その場で直接コンパウンド化するよりも、より大量の予め含浸された連続ストランドを生成して押出機に供給することも可能となる。

一実施形態において、予め含浸された連続ストランド（例えばオフラインで形成されたテープ）は、システム１０で実行されるプロセスなどの押出工程に対する全原材料を含むことができる。したがって、予め含浸された連続ストランドの組成は、最終の成形部品の目標組成と同一又はそれに非常に近いものであってよい。

予め含浸された連続ストランド（例えばテープ）が全原材料でない一実施形態において、追加の組成が押出機に追加されて、予め含浸された連続ストランド（例えばテープ）とコンパウンド化される。追加組成は、ポリマー／樹脂（例えばニート）、ＵＶ又は熱の安定化剤又は相溶化材などの添加剤、充填材、発泡剤、着色料、又はその他の組成を含んでよい。予め含浸された連続ストランド（例えばテープ）に１つ以上の追加ポリマー又は樹脂が加えられる場合、それらは予め含浸された連続ストランドに使用されるのと同じ種類のポリマー又は樹脂であってもよいし、あるいは違っていても（あるいは複数のポリマーが追加される場合には両者の組み合わせであっても）よい。

追加のポリマー材料が予め含浸された連続ストランドと同じであれば、追加のポリマー材料を与えることは、溶融ストリームの繊維濃度を実効的に低減又は希釈することになる。したがって、予め含浸された連続ストランド（例えばテープ）が成形部品内の所望の目標濃度よりも高い繊維濃度で成形されてもよく、その場合には押出機において同じ組成のニートポリマーでブレンドして、繊維濃度を目標濃度まで低下させる。追加されるポリマー材料が予め含浸された連続ストランドとは異なる場合、ポリマーのブレンド又はアロイが押出中に形成され得る。こうすることで、形成された部品のポリマーの性質を、予め含浸された連続ストランドに使用されたポリマー材料に比べて調整するか又は変化させることが可能である。

予め含浸された連続ストランド（例えばテープ）の繊維を含浸及び湿潤させることで、押出工程中に繊維を保護し得ることがわかっている。上記のように、押出工程には剪断及び混合作用が含まれ、それが原材料の繊維、特に炭素繊維のようなより脆い繊維に損傷を与える場合がある。この損傷は、複合材料の機械的特性を低下させ、及び／又は繊維を破断又はより短い長さに切断させる（これもまた機械的特性を低下させる）可能性がある。しかし、実質的に含浸及び湿潤された繊維は、押出工程中のそのような損傷からよりよく保護されることがわかっている。フィラメントはポリマー材料に全面的に接触しているので、繊維が直接的に接触して損傷されるリスクはより小さい。

この改善された保護により、典型的には繊維を損傷し、又は含浸を阻止する可能性のある添加剤、充填材あるいは他の成分の使用が可能となる。例えば、含浸中にいくつかのポリマーは他のものよりも繊維により損傷を与える場合がある。複合材料が、一般的に、よりよい湿潤及び含浸を促進するために低粘度又は高いメルトフローを提供する、低分子量樹脂で製造されるが、そのような樹脂の強度は対応する高分子量のものよりも低くなる。さらに、コストを下げ、及び／又は表面外観を向上させる鉱物充填材は繊維に対する摩耗性があり、顕著な損傷を与える可能性がある。二酸化チタン（例えば白）などの顔料は、特に摩耗性が高い。一実施形態において、予め含浸された連続ストランドは、（例えば、上記の因子に基づいて）繊維への厳しさの小さい、及び／又は（繊維の種類によるが）繊維を容易に湿潤及び含浸させる、ポリマー材料を含むことができる。予め含浸された連続ストランドは次に押出機で、連続ストランドを含浸及び湿潤させるのに使用されたポリマー材料よりも繊維に対してより厳しいポリマー材料又は成分と組み合わされる可能性がある。この時、完全に含浸された繊維は、これらのより厳しい材料から保護され、繊維への損傷は軽減又は排除されて、成形部品の最終的な繊維長さを増加させ得る。

上記のように、予め含浸された連続ストランドとそれにより提供された繊維の保護とにより、押出工程でより長い繊維長が可能となり得る。少なくとも１つの実施形態において、平均的な最終繊維長（例えば、押出製品／成形製品における繊維の長さ）は、炭素繊維に対して少なくとも２ミリメートルであり得る。別の実施形態では、平均的な最終繊維長は、他の種類の繊維に対して少なくとも５、１０、１５又は２０ミリメートルであり得る。別の実施形態では、平均的な最終繊維長は、他の種類の繊維に対して少なくとも０．２５インチ、０．５インチ、又は０．７５インチであり得る。これに比べて、乾燥した炭素トウ、又は僅かしか湿潤及び含浸されないトウで予め含浸されたペレットを使用するプロセス、又は（例えば押出機内でのインラインの）直接コンパウンド化プロセスに対する平均的繊維長は、炭素繊維に関して典型的には２ミリメートルよりも短く、１ミリメートルよりも短いことが多い。

図３を参照すると、押出システム１０には加熱システム５０が含まれることがある。加熱システム５０は、１つ以上のヒータ又は加熱要素５２を含み得る。加熱要素５２は、温風ヒータ、火炎ヒータ、赤外線（ＩＲ）ヒータ、伝導ヒータ、誘導ヒータ、レーザー、またはその他、並びにそれらの組み合わせなどの任意の適切な加熱設備または装置であってよい。加熱要素５２は、入口ポート１６に近接して配置されて、予め含浸された連続ストランド１８が入口ポート１６に入る前に（例えば、ポートに入る直前に）加熱するように構成されていてもよい。少なくとも１つの実施形態において、予め含浸された連続ストランド１８は予め含浸された連続テープ４６であってもよい。加熱システム５０は、原材料を軟化させるがまだ固体であるように（例えば、ポリマー材料の融点未満で）加熱するように構成されてもよい。こうすることで、ポリマー材料を溶かすために押出機で追加されるべき、余分の熱／エネルギーの量を低減可能である。別の実施形態では加熱システム５０は、原材料をポリマー材料の融点以上に加熱するように構成され、原材料が少なくとも部分的に、あるいは完全に溶融するようにしてもよい。これにより、押出機で追加する必要のあるエネルギーがさらに減少して押出プロセスを促進可能である。また原材料を軟化又は溶融することで、非溶融の原材料が溶融ストリーム内で接触中に繊維に損傷を与える、固体－融体界面が排除されるかあるいは最小化される。テープ又はフレークの形状であれば、その形状因子に固有の進展性により繊維の損傷をさらに保護し、かつ熱輸送を促進する。

図４、図５を参照すると、少なくとも１つの実施形態において、予め含浸された連続ストランドはフレーク６０として形成することができる。一実施形態において、フレーク６０は予め含浸された連続テープ４６を切断、細断、裁断、あるいは他の方法で分割して、複数の画定されたセグメントとすることで形成されてよい。押出機にフレークを導入することは、押出機内で乾燥したトウ又は予め含浸させた連続ストランドを切断することに比べて、初期繊維長に対するより優れた制御を提供する。トウ又は予め含浸させた連続ストランド内部の繊維を引き伸ばしたり剪断したりすることは、繊維の損傷に繋がり、繊維長を制御不能な分布にする。予め含浸された連続テープ４６は（テープが矩形であるとして）その長軸に垂直な方向に切断して、複数の矩形のフレーク６０を形成してもよい。一実施形態において、フレーク６０は、その中にある繊維が、すべてが実質的に同じ長さであるように（例えば図４に示すように）切断することができる。別の実施形態では、フレーク６０はフレーク６０内で繊維長さが変化するように切断されてもよい。例えば、垂直と斜めのパターンが交互になるように切断して、フレークの一辺がテープの長軸に垂直であって、もう一辺が、フレークの幅方向に繊維長が変化するような角度となってもよい。一実施形態において、垂直切断を使用して、押出機への１つの開始長を持つ同じ長さの入力が生成されてもよい。別の実施形態では、垂直切断を使用して、各切断の相対的な割合に基づいて、これらの特定の大きさを持つ複数の長さ入力を生成することができる。代替実施形態では、原材料が斜めに切断されて、最小と最大のフレーク長の間に連続した分布を有する繊維長を提供することができる。

図６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、予め含浸された連続テープ７０、７２、７４のそれぞれが、所定の分布をした繊維長を有する予め含浸されたフレークに分割される、更なる例を示す。予め含浸された連続テープ７０、７２、７４のそれぞれは、連続した強化繊維を含む。これらの強化繊維は、予め含浸された連続テープ７０、７２、７４のそれぞれに示された分割線７６、７８、８０に従って分割される。図６Ａでは、予め含浸された連続テープ７０が分割線７６によってフレーク８２に分割され、各フレークは同じ長さＡを持つ。図６Ｂでは、予め含浸された連続テープ７２が分割線７８によってフレーク８４に分割され、各フレークは長さＡ又は長さＢを持つ。一実施例では長さＡは５ミリメートル、長さＢは１０ミリメートルであってよい。図６Ｂで特定される分割方式は、フレークの半分が長さＡを持ち、フレークの半分が長さＢを持つ、均一分布のフレークの生成に使用される。この分割方式を使用して、フレークを所定のパターンで３つ以上の異なる所定の長さに分割し、３つ以上の所定の長さの均一又は不均一な分布を生成することができる。図６Ｃでは、予め含浸された連続テープ７４が分割線８０によってフレーク８６に分割される。各フレークは、１辺が長さＡで対向する辺が長さＢを有する四辺形である。これらのフレークは、長さＡから長さＢの範囲の均一な分布をした繊維をもたらす。一実施例では長さＡは５ミリメートル、長さＢは１０ミリメートルであってよい。

本明細書で使用されるように、フレークという用語は一定の長さと幅を有し、その長さと幅に対して小さな厚さを有する形状を指してもよい。フレーク６０が、テープ４６などのテープから形成される場合、フレークはテープと同じ厚さ及び幅であるが、有限な長さを有する。フレーク６０は、テープ４６と同様に、その中に配置された連続繊維を有してもよい。繊維は、フレークの一端から他端まで分断されずに延在してもよいし、テープ４６に関して既述したように、その他のパターンを有してもよい。

図５を参照すると、フレーク６０は押出機に導入する直前に形成されてもよい。連続した原材料６２が切断装置６４を介して供給されて、連続した原材料６２が切断、裁断又はその他の形で分割されて複数の個別のフレーク６０になってよい。

次にフレーク６０が重力で入口ポート６６内へ落下して、溶融及び処理のために押出機に供給される。連続した原材料６２は、上記のテープ４６などのテープであってよい。連続した原材料６２は、任意の適切な手段、例えばローラ又はコンベヤベルトなどを用いて切断装置６４へ供給することができる。切断装置６４には、切断ローラ、裁断ブレード、レーザなどの適切な一つ又は複数の切断要素６８が含まれてよい。一実施形態では、図３に関連して図示、説明した様な加熱システムを含み、フレーク６０が入口ポート６６に向けて落下する間に加熱するように構成されてもよい。

別の実施形態では、フレーク６０は押出機に導入される前に生成及び収集されてもよい。例えば、図５において、入口ポート６６に落下する代わりにフレーク６０が、ビンや容器などの収集器の中へ落ちてもよい。そうして、フレーク６０が、押出及び成形操作が行われるまでバルク状態で保存されてもよい。フレークは必要な時に、従来のペレットがホッパを経由するなどして導入されるのと同じようにして、供給されてもよい。

特定の用途においては、フレークは、特に既存の溶融ストリームに導入された場合にはその大きな表面積と小さい厚さのためにペレットよりも早く溶融する。また、フレークはペレットのように剛直ではないので、完全に溶融する前に剪断を加えられると、破断することなくより容易に変形することができる。

図７を参照すると、圧縮成形のための押出システム１００の概略図が示されている。システム１００はシステム１０と類似していてよい。ここで類似の構成要素は同じ番号となっている。２つのシステムの差異を以下に説明する。システム１００は押出器１２を含んでもよい。押出機１２は、押出機１２の後端又は後部２０に、１つ以上の原材料１０４を受ける、入口ポート１０２を含んでよい。スクリュー１４が原材料１０２を押出機内で前進させて、その移動中に材料を回転、混合、剪断及び／又は加熱をして、材料が押出機１２の前端又は前部２４に達するまでに溶融ストリーム２２を形成する。

少なくとも１つの実施形態において、原材料１０４には少なくとも１つのポリマー材料が含まれてよい。ポリマー材料は、ペレット、粒子、あるいは当技術分野で知られるその他の任意の形状因子であってよい。ポリマー材料はホッパから入口ポート１０２へ供給されてもよい。一実施形態では、入口ポート１０２へ供給されたポリマー材料は、その中に強化繊維を含まないニート樹脂であってもよい。そのような場合には、ポリマー材料の繊維濃度はゼロ（０）である。ポリマー材料には、充填材、発泡剤、発色剤などの添加剤、及び／又は他の成分が含まれてもよい。ポリマー材料又は成分はしたがって、押出機の後部近くに導入されて、前端に向かって輸送される間に混合及び剪断が開始されてよい。

押出機１２が第２の入口ポート１０６を含んでもよい。これは入口ポート１０２に近接するか又は入口ポート１０２の下流（押出機の前方方向）であってもよい。少なくとも１つの実施形態において、第２の入口ポート１０６が図６に示すように入口ポート１０２の下流であってもよい。これらの実施形態においては、原材料１０４は、第２の入口ポート１０６が位置する押出機の領域に達するまでに少なくとも部分的に溶融してもよい。あるいはポリマー材料の他の成分とのそのようなコンパウンド化は別の押出機で行われて、溶融ストリームとして第２の押出機に導入され、そこに繊維強化された原材料が導入されてもよい。一実施形態では、原材料１０４は、第２の入口ポート１０６の領域に到達したときには完全に溶融していてもよい。

繊維強化された原材料１０８は、第２の入口ポート１０６を介して押出機１２に導入されてもよい。上記のように、第２の入口ポート１０６は、原材料１０４が部分的又は完全に溶融する押出機の領域に位置してもよい。したがって、繊維強化された原材料１０８が既存の溶融ストリーム内に導入されてもよい。一実施形態では、繊維強化された原材料１０８は、本明細書で説明した任意のもののような、予め含浸された繊維原材料である。例えば、予め含浸された原材料は、テープ（例えばテープ４６）などの予め含浸された連続原材料であってもよいし、又はフレーク６０などの予め含浸されたフレーク原材料であってもよい。これらの予め含浸された原材料は、実質的に含浸又は湿潤されていてもよい。ただし、ペレットなどの他の繊維強化材料も、繊維強化された原材料１０８として使用されてもよい。

繊維強化された原材料１０８には、予め含浸された連続ストランド１８として前に説明した、繊維の種類及び／又はポリマー材料が含まれ得る。例えば、繊維強化された原材料１０８には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、又はその他、あるいはそれらの組み合わせなどの繊維が含まれてもよい。繊維強化された原材料１０８には、マトリックス材料として熱可塑性材料又は熱硬化性材料が含まれてもよい。

一実施形態では、繊維強化された原材料１０８のマトリックス材料は、少なくとも１つの原材料１０４と同一であってもよい。したがって、原材料１０４がニートポリマー（繊維なし）であるか、あるいは繊維強化原材料１０８よりも繊維濃度が低い場合には、繊維強化原材料１０８を下流に導入することにより、原材料１０４と繊維強化原材料１０８との間の中間的な繊維濃度を有する、繊維強化材料が生成され得る。原材料１０４はしたがって、最終溶融ストリーム及び成形部品の繊維濃度を削減又は低減するために使用することが可能である。

別の実施形態では、繊維強化された原材料１０８のマトリックス材料は、少なくとも１つの原材料１０４、あるいはすべての原材料１０４とは異なっていてもよい。したがって、繊維強化された原材料１０８を導入することにより、原材料１０４とのポリマーブレンド又はアロイを生成可能である。ブレンドの組成は、原材料１０４と繊維強化された原材料１０８との相対的な量に依存する。上記と同様に、原材料１０４がニートポリマー（繊維なし）であるか、あるいは繊維強化原材料１０８よりも繊維濃度が低い場合には、繊維強化原材料１０８を下流に導入することにより、原材料１０４と繊維強化原材料１０８との間の中間的な繊維濃度を有する、繊維強化材料を生成することが可能である。繊維強化原材料１０８はすでに樹脂で被覆された繊維を有し、それにより、高粘度や研磨性充填材などのために含浸プロセスに適合しない、異なるマトリックス樹脂又は組成を有する可能性のある材料１０４で作られた上流の溶融ストリームから繊維を保護する。

図８は本開示の一実施形態による押出システム２００を示す。押出システム２００は、上流ポート２０２、下流ポート２０４及び出口ポート２０６を含む。原材料は（例えば重力方式の供給プロセスを用いて）上流ポート２０２に添加可能である。原材料は固体ペレットとして、又は、繊維の初期長さをペレットの長さで固定するために、樹脂で予め含浸するか又は繊維のコアの周りにワイヤ被覆して一方向繊維を有するペレットとして供給可能である。これらのペレットは、ニート樹脂、又は添加剤、充填材、発泡剤若しくはプロセスや部品によって所望される他の機能付与を含む化合物で作られた他のペレットで添加することができる。各ペレットの種類は制御されて上流ポート２０２に添加されて、ペレットが上流ポート２０２と下流ポート２０４の間に延在する溶融ストリーム領域２０５内において溶融ストリームと、結合、搬送、加熱及びブレンド又は混合が行われる際に、顕著な剪断を受ける。

一実施形態では、溶融ストリームが上流ポート２０２の原材料から確立された後に、複合材料が下流ポート２０４に添加される。下流ポート２０４の複合材料は、マトリックス材料で予め含浸された強化繊維であってもよい。複合材料は、例えばペレット、テープ又はフレークとして添加できる。一実施形態では、複合材料の繊維濃度は、成形コンパウンド及び原材料の繊維濃度より高い場合がある。複合材料を溶融ストリーム内に添加することにより、従来プロセスよりもより急速な複合材料の溶融を達成可能である。この溶融は、下流ポート２０４と出口ポート２０６の間に位置するコンパウンド化領域２０８で起きる。コンパウンド化領域２０８は、連続繊維を含むストランドとして添加された複合材料を分割可能な切断ゾーン２１０を含んでもよい。複合材料の急速加熱に加えて、溶融ストリームは、複合材料が溶融ストリームと結合する際に複合材料を潤滑することを支援し、それによって複合材料が溶融するときの複合材料への剪断を最小化する。複合材料の溶融と組み合わせた急速加熱は、加熱フェーズにおける剪断力の低減と組み合わされて、部品が製造される溶融ストリームにおける繊維長の保持を促進する。成形コンパウンドは、狙いとするプロセスに対して適切に構成された出口ポート２０６において押出システム２００から出て、任意の適切な成形プロセス、例えば圧縮成形、押出、射出成形、ブロー成形などを用いて複合部品の製造に使用可能である。

これに代わり、複合材料が、原材料の融点より高い融点を有するポリマー材料を含んでもよい。そのような実施形態において、複合材料を、複合材料の融点より低い温度において溶融ストリーム中に添加することが可能であり、それにより、複合材料が溶融ストリームにブレンドされて分散される際に、その元の形式の完全性を保持させる。溶融ストリームの温度は、成形コンパウンドが押出機内に留まっている間ずっと複合材料の融点未満に維持可能であるか、又は添加後のある時点において溶融ストリーム温度を複合材料の融点より上げることが可能である。そのような実施形態は、１つ以上の利点を有し得る。この実施形態は、大部分又はすべての押出プロセスを通して、繊維を優先的配列（例えば互いに平行）に維持して、コンパウンド内により高い繊維濃度が存在することを可能とする。別の利点の例として、複合材料が溶融ストリーム内にブレンドされて剪断に曝されるとき座屈に抵抗するマトリックス樹脂からの寄与によって、非溶融複合材料内の繊維が集合的に相互に強化しあう。座屈は、繊維が押出機内、あるいは成形プロセスにおいて、剪断に曝される際、繊維損傷の重要な原因でなり得る。さらに別の利点では、繊維を優先配列方向に保持することで、特に衝撃の場合に、完全に分散してランダムな繊維よりも、最終製品内の強度的性質が改善される。また、複合材料の完全溶融により繊維が完全に分散すると、成形コンパウンドの粘度を、特に繊維の体積率が高い場合に増大させ、繊維に更なる損傷を与え、また金型内での流れの遅延を起こす。しかしながら、フレークなどの複合材料の元の形式を保持することで、溶融ストリームに個別フレークを潤滑させて流れを加速することを可能としうる。高融点のＰＡ６６などの適合樹脂の組み合わせは、複合材料向けに使用可能であり、低融点のＰＡ６は原材料の基礎を形成可能である。そのような場合、各樹脂は個別の融点を有するが、ＰＡ６は、ＰＡ６６の融点を超える処理範囲も有する。したがって、同じファミリの樹脂を使用可能であり、あるいはそれに代わって、異なる樹脂ファミリからの相溶化樹脂を使用可能である。

ほとんどの場合、上流ポート２０２の原材料と下流ポート２０４の複合材料はそれぞれ１つ以上の樹脂を含むことができる。一例では、複合材料の製造に使用される同じファミリの樹脂は、原材料に使用可能である。樹脂ファミリの非限定的な例としては、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレートがある。原材料中の樹脂は、より高い分子量又は粘度を有することが可能である。そうでない場合には、これは複合材料の繊維の最初の含浸には適さないが、出口ポート２０６から押出システム２００を出る成形コンパウンドの靭性又は加工性を高める。別の例では、原材料には複合材料の製造に使用する樹脂と同じファミリの樹脂を含むポリマー材料を含むことができる。ただし、原材料には添加剤、充填材及び／又は微粒子も含まれ、これらには研磨性があって、繊維を乾燥させ、繊維の含浸を支援し得る粘度以上に粘度を上げる。又は繊維の含浸プロセスに関する何らかの他の不適合性を示す。ただし、そのような樹脂又はポリマー材料を溶融ストリームにのみ使用して、次に複合材料と組み合わせることで、得られる成形コンパウンドは、密度が小さく、機械的性質又は物理的性質が強化され、コストが低減され、流動性及び／又は最終部品製造に関連する他の属性が向上する可能性がある。さらに別の例では、原材料には、複合材料に使用されるものとは同じファミリではない異なる樹脂を含んで、最終部品用途に関する特性および性能の向上したブレンド又はアロイを生成することも可能である。原材料内の樹脂は、複合材料の繊維濃度を希釈するために使用することもできる。

図９Ａは本開示の別の実施形態による押出システム３００を示す。押出システム３００は、入口ポート３０２と出口ポート３１２を含む。一実施形態では、予め含浸された連続テープを含む、本明細書に開示された任意の形状の予め含浸された複合材料の連続ストランド３０４がポート３０２内へ添加される。予め含浸された連続ストランドは、実質的に均一な断面を有することができ、例えば、連続ストランドの長さに沿う断面はいずれもその断面積の±０％、０．１％、０．５％、１％、２％、３％、４％、５％又は１０％を越えてずれることはない。断面形状の非限定的な例には、楕円（図９Ｂ）、長円（図９Ｃ）、矩形（図９Ｄ）又はテープ（図９Ｅ）が含まれる。十分な材料のスループットを確保するために、もう１つの断面形状をした予め含浸された連続ストランドが、逐次的又は同時に入口ポート３０２に導入されてもよい。例えば、１つの２００ｍｍ幅のテープ形状をしたストランド、又は２つの１００ｍｍ幅のテープ形状をしたストランド、又は１０個の円形のストランドが入力ポート３０２に同時に導入されて、十分な材料スループットを確保してもよい。

複合材料３０４は複合材料のコイル３０６から送達することができる。複合材料は、用途に応じて、連続、不連続、又は組み合わせの繊維長を含むことができる。複合材料内の繊維濃度は、最終部品用途に対して目指す繊維濃度とほぼ等しくすることができる。任意選択により、複合材料３０４は加熱装置３０８で加熱することができる。これには伝導、誘導、対流、輻射（例えば赤外線）、又はこれらの組み合わせを使用可能である。押出システム３００は連続繊維を含むストランドで形成された複合材料３０４を分割するための切断ゾーン３１０を含むことができる。溶融したコンパウンドストリームが押出システム３００内に形成される。コンパウンドストリームは、狙いとするプロセスに対して適切に構成された出口ポート３１２において押出システム３００から出て、任意の適切な成形プロセス、例えば圧縮成形、押出、射出成形、ブロー成形などを用いて複合部品の製造に使用可能である。

複合材料３０４は、押出システム３００に添加される中間材料として使用される、予め含浸された連続ストランドであってもよい。一実施形態では、予め含浸された連続ストランドには炭素繊維が含まれる。予め含浸された連続ストランドは、押出システム３００のオフラインで製造されて、乾燥して含浸不十分なトウのインラインでのコンパウンド化の潜在的な欠点を回避する。例えば、乾燥したトウ、又は樹脂による含浸が不十分なガラス繊維のトウのインラインでのコンパウンド化のプロセスは、２０ｍｍ以上の長さの繊維を保持可能であるが、同じプロセスを炭素繊維の乾燥したトウに適用すると、繊維の脆さと構造のために平均して２ミリメートルを保持することができない。繊維長を保持することは、得られる成形コンパウンドの価値を最大化するために重要である。したがって、本開示の一実施形態では、繊維の含浸を分離して、予め含浸された連続ストランドをその最適プロセス条件下で個別に製造する。そしてその後、予め含浸された連続ストランドを取り出して、ストランドを複合部品に変換するプロセスに相応な、非常な高速でそれを供給する。

図１０は本開示のさらに別の実施形態による押出システム４００を示す。押出システム４００は、入口ポート４０２と出口ポート４０４を含む。図１０に示すように、複合材料の予め含浸された連続テープ４０６は切断要素４０８に供給される。予め含浸された連続テープ４０６は、目的とする用途に対して処方された、連続、不連続又はその組み合わせの繊維長を含むことができる。予め含浸された連続テープ４０６は複合材料のコイル４１０から送り出すことができる。切断要素４０８が予め含浸された連続テープ４０６をフレーク４１２に分割する。フレークの形状因子の例は、上に開示した。予め含浸された連続テープ４０６をフレーク４１２に分割する前に、ヒータ４１４を使用して予め含浸された連続テープ４０６、又はそれに代わって予め含浸したフレーク４１２を加熱する。フレーク４１２は所定の速度で入口ポート４０２に導入される。比較的小さい部品の射出成形の場合、その速度は、１０ポンド／時、２０ポンド／時、３０ポンド／時、４０ポンド／時又は５０ポンド／時の値、又はこれらの２つの値の間の範囲から選択可能である。より大きな部品の圧縮成形に対しては、速度は、１００ポンド／時、２００ポンド／時、３００ポンド／時、４００ポンド／時、５００ポンド／時、６００ポンド／時、７００ポンド／時、８００ポンド／時、９００ポンド／時又は１，０００ポンド／時の値、又はこれらの２つの値の間の範囲から選択可能である。非常に大きい部品のブロー成形の場合、その速度は、５００ポンド／時、１，０００ポンド／時、１，５００ポンド／時、２，０００ポンド／時又は２，５００ポンド／時の値、又はこれらの２つの値の間の範囲から選択可能である。連続押出プロセスの場合、その速度は、１，０００ポンド／時、２，０００ポンド／時、３，０００ポンド／時、４，０００ポンド／時、５，０００ポンド／時の値、又はこれらの２つの値の間の範囲から選択可能である。本節で説明した上記のインライン切断に対する代替実施形態では、フレークは予め含浸された連続テープからオフラインで前もって切断し、バルクで保存して、入口ポート４０２へ直接添加することができる。溶融ストリームが押出システム４００内で形成される。成形コンパウンドは、目的とするプロセスに対して適切に構成された出口ポート４０４において押出システム４００から出て、任意の適切な成形プロセス、例えば圧縮成形、押出、射出成形、又はブロー成形を用いて複合部品の製造に使用可能である。

成形プロセスで形成される部品は、典型的に１０％～６０％の範囲の重量分率の繊維含有量を有し得る。一実施形態では、予め含浸された連続テープ４０６は、部品と同程度又はほぼ同じ繊維含有量を有し得る。一つ又は複数の実施形態の利点として、それ以上の機能が必要とされない場合には、部品とほぼ同じ繊維含有量で予め含浸されたテープ４０６により、ブレンドに必要な剪断が排除される。また、予め含浸されたテープ４０６が、その部品製造に使用される材料の全てを表し得る。インラインで製造された、含浸が不十分なストランドが、同じポリマー材料の溶融ストリームに再度導入されて、それにより繊維濃度の希釈及び追加ブレンドが必要となる、以前の手法においては、このことは当てはまらない。

図１０に示すプロセスに従うと、フレークがテープ又は薄いシートから製造されて、押出機に添加される。そのようなプロセスは、フレークが特定の寸法又は寸法の組み合わせで準備可能であるので、初期繊維長の制御が改善される。さらに、初期の寸法が、容易な搬送又は重力式での添加が可能な寸法を超える場合には、そのようなテープ又はシートは、速度を制御してインラインで導入可能であり、それによってテープ又はシートが、フレークを指定の寸法で押出機内へ直接添加するように裁断又は切断される。あるいは、様々な形状のフレークが搬送及び添加可能な場合には、フレークを前以ってテープ又はシートから準備してバルクで送達することができる。フレークはペレットよりも可撓性があるので、フレークが押出機のスクリューに当たって溶融相が始まると、それらが隣接するフレークに損傷を与える可能性は低い。別の利点としては、フレークは単位質量当たりの面積という点で、優先的なアスペクト比を持っており、したがって、フレークはペレットよりもより迅速かつ均等に熱を吸収して、フレークが溶融するときに進展する溶融ストリーム内で繊維へ損傷を与える度合いを低くする。

本明細書において開示するプロセス、方法又はアルゴリズムは、既存の任意のプログラム可能電子制御ユニット又は専用電子制御ユニットを含むことができる、プロセス装置、コントローラ、又はコンピュータに送達／実装可能である。同様に、プロセス、方法又はアルゴリズムは、これに限るものではないが、ＲＯＭ装置などの書込み不可の記憶媒体に永続的に格納される情報、及びフロッピディスク、磁気テープ、ＣＤ、ＲＡＭ装置及びその他の磁気媒体や光学媒体などの書き換え可能な記憶媒体に変更可能に格納される情報、などを含む多くの形式で、コントローラ又はコンピュータによって実行可能なデータ及び命令として格納可能である。プロセス、方法又はアルゴリズムはまた、ソフトウェアを実行可能なオブジェクトに実装可能である。これに代わり、プロセス、方法又はアルゴリズムは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ステートマシン、コントローラ又は他のハードウェア部品若しくは装置などの適切なハードウェア部品、あるいはハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア部品の組み合わせを用いて、全体又は部分的に具現化可能である。

以下の出願は本出願に関連する。すべて２０１７年７月２４日出願の、米国特許出願シリアル番号第１５／６５７，７４１号、第１５／６５７，９４８号、第１５／６５７，８６３号、第１５／６５７，９３４号、第１５／６５７，７７０号。特定された各出願は、参照によりその全体を本明細書に援用する。

以上に例示的実施形態を記載したが、これらの実施形態が本発明が包含するすべての可能な形態を記述することを意図するものではない。本明細書に使用する用語は制限のためではなく説明のための用語であり、本開示の精神および範囲から逸脱することなしに様々な変更をなし得ることが理解される。前に述べたように、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、明示的な説明や図示がされていない本発明の更なる実施形態を形成することが可能である。一つ又は複数の所望特性に関して、他の実施形態や従来技術の実装形態よりも利点があり、好適であるとして、様々な実施形態が記述されたかも知れないが、当業者であれば、特定の用途及び実装に依存する、所望のシステム全体の属性を達成するために、一つ又は複数の特徴又は特性が損なわれ得ることが認識される。これらの属性としては、これに限るものではないが、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、梱包、寸法、有用性、重量、生産性、組立容易性などが含まれ得る。このように、一つ又は複数の特性に関して、任意の実施形態が、他の実施形態や従来技術の実装形態程には望ましくないと記載されている限り、これらの実施形態は本開示の範囲外ではなく、特定の用途に対して望ましい場合があり得る。

Claims (21)

1. 第１の融点を有する第１のポリマー材料を含む原材料の溶融ストリームを押出機内に確立するステップと、
   前記溶融ストリーム中に複合材料を添加するステップと、
   前記原材料と前記複合材料から成形コンパウンドを形成するステップと、
   前記成形コンパウンドを前記押出機から分配するステップと、
   前記成形コンパウンドを使用して部品を製造するステップと、
   を含む、方法であって、
   前記複合材料は、強化フィラメントと、マトリックス樹脂であって前記第１の融点よりも高い第２の融点を有する第２のポリマー材料とを含む予め含浸された強化繊維を含み、前記複合材料は、前記強化フィラメントの少なくとも３０％が前記第２のポリマー材料によって保護され、前記第２のポリマー材料が前記少なくとも３０％のフィラメントにおいて各フィラメントの側面を覆って各フィラメントと隣接するフィラメントとの間にバリアを形成し、添加時の前記溶融ストリームの温度は、マトリックス材料である前記第２のポリマー材料の融点より低い、方法。
2. 前記複合材料は、前記添加するステップと前記形成するステップとの間の期間は非溶融状態に留まる、請求項１に記載の方法。
3. 前記成形コンパウンドの温度は前記部品を製造するステップの前に前記第２の融点より高く上げられる、請求項１に記載の方法。
4. 押出機内でポリマー材料を含む原材料の溶融ストリームを確立するステップと、
   前記溶融ストリーム中に複合材料を添加するステップであって、前記複合材料は前記ポリマー材料によって予め含浸された炭素強化フィラメントから成る炭素強化繊維を含み、前記複合材料は、強化フィラメントの少なくとも３０％が前記ポリマー材料によって保護され、前記ポリマー材料が各フィラメントの側面を覆って、前記少なくとも３０％のフィラメントにおいて各フィラメントと隣接するフィラメントの間にバリアを形成するようになった、複合材料を添加するステップと、
   前記原材料と前記複合材料から成形コンパウンドを形成するステップと、
   前記成形コンパウンドを前記押出機から分配するステップと、
   前記成形コンパウンドを使用して部品を製造するステップと、
   を含む、方法。
5. 前記添加するステップは、固体形状の前記複合材料を前記溶融ストリーム中に添加して前記溶融ストリームが少なくとも部分的に前記複合材料を溶融することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記原材料を前記押出機の上流供給ゾーン内に導入するステップを更に含み、
   前記確立するステップは、前記上流供給ゾーンと下流供給ゾーンの間に前記原材料の前記溶融ストリームを確立することを含み、
   前記添加するステップは、前記押出機の前記下流供給ゾーンにおける前記溶融ストリーム中に前記複合材料を添加することを含み、
   前記形成するステップは、前記原材料と複合材料をブレンドして前記成形コンパウンドを形成することを含む、請求項４に記載の方法。
7. 第１のポリマー材料を含む原材料の溶融ストリームを押出機内に確立するステップであって、前記原材料が、第１の分子量と第１の粘度を有する第１の樹脂を含む、確立するステップと、
   前記溶融ストリーム中に複合材料を添加するステップであって、前記複合材料は強化フィラメントと第２のポリマー材料からなる、予め含浸された強化フィラメントを含み、前記複合材料は、前記強化フィラメントの少なくとも３０％が前記第２のポリマー材料によって保護されて、前記第２のポリマー材料が前記少なくとも３０％のフィラメントにおいて各フィラメントの側面を覆って、各フィラメントと隣接するフィラメントの間にバリアを形成するようにし、前記複合材料は、第２の分子量と第２の粘度を有する第２の樹脂を含み、前記第１の分子量は前記第２の分子量より大きいか、又は前記第１の粘度が前記第２の粘度より大きい、添加するステップと、
   前記原材料と前記複合材料から成形コンパウンドを形成するステップと、
   前記成形コンパウンドを前記押出機から分配するステップであって、前記第１と前記第２のポリマー材料は互いに異なっており、前記第２のポリマー材料にはない機能を前記成形コンパウンドに導入するようになった、成形コンパウンドを分配するステップと、
   前記成形コンパウンドを使用して部品を製造するステップと、
   を含む、方法。
8. 前記第１と前記第２の樹脂は同一樹脂ファミリである、請求項７に記載の方法。
9. 前記原材料は、第１の樹脂と、強化繊維を乾燥させるための添加剤、充填材及び／又はナノ粒子研磨剤とを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記原材料は、第１の粘度を有する第１の樹脂と、前記第１の粘度に影響を与える添加剤、充填材及び／又はナノ粒子とを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記原材料は、第１の樹脂と、前記第１のポリマー材料の粘度が前記第２のポリマー材料の粘度より高くなるような、添加剤、充填材及び／又はナノ粒子とを含む、請求項７に記載の方法。
12. 前記原材料は第１の樹脂を含み、前記複合材料は第２の樹脂を含み、前記第１と前記第２の樹脂は樹脂ファミリが異なる、請求項７に記載の方法。
13. 前記添加するステップは、前記複合材料を前記原材料の溶融ストリームで潤滑することを含む、請求項１、請求項４又は請求項７に記載の方法。
14. 前記添加するステップは、固体形状の前記複合材料を前記溶融ストリーム中に添加して前記溶融ストリームが少なくとも部分的に前記複合材料を溶融することを含む、請求項７に記載の方法。
15. 前記複合材料は１つ以上の連続ストランド、ペレット、及び／又はフレークの形状である、請求項１、請求項４又は請求項７に記載の方法。
16. 前記添加するステップは、前記押出機の押出方向に沿って配置された供給器を用いて実行される、請求項４又は請求項１５に記載の方法。
17. 強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、合成繊維、天然繊維、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１又は請求項７に記載の方法。
18. 前記添加するステップの前に前記複合材料を加熱するステップを更に含む、請求項４又は請求項７に記載の方法。
19. 第１のポリマー材料と第２のポリマー材料のそれぞれは、熱可塑性ポリマー材料、及び／又は熱硬化性ポリマー材料を含む、請求項１又は請求項７に記載の方法。
20. 前記複合材料は前記第２のポリマー材料によって保護された少なくとも５０％のフィラメントを有し、前記第２のポリマー材料は各フィラメントの側面を覆って、前記少なくとも５０％のフィラメントにおいて、フィラメントと隣接するフィラメント間にバリアを形成する、請求項１又は請求項７に記載の方法。
21. 前記確立するステップは、第１の押出機において前記溶融ストリームを確立することを含み、前記添加するステップは第２の押出機において前記溶融ストリームを前記複合材料と組み合わせることを含む、請求項１、請求項４又は請求項７に記載の方法。

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