JPH04270610A - 複合材料を圧密化するクロスオ―バ―成形用具 - Google Patents

複合材料を圧密化するクロスオ―バ―成形用具

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JPH04270610A
JPH04270610A JP2411586A JP41158690A JPH04270610A JP H04270610 A JPH04270610 A JP H04270610A JP 2411586 A JP2411586 A JP 2411586A JP 41158690 A JP41158690 A JP 41158690A JP H04270610 A JPH04270610 A JP H04270610A
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composite
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Richard D Pratt
リチャード・ディビッド・プラット
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】この発明は複合材料の成形、特に複合材料
の湾曲した部材の圧密化に関する。
【０００２】
【発明の背景】複合材料は、補強繊維、ウィスカ―また
は粒子を母材（マトリックス）に埋設することにより形
成され、母材で補強材を支持し、保護した混成材料であ
る。種々の補強材が入手でき、中でも炭素、グラファイ
ト、ガラスおよびケブラ―（ｋｅｖｌａｒ）繊維が、現
在、航空その他の用途に広範に用いられている。金属お
よび非金属両方の母材が入手でき、エポキシやポリイミ
ドなどの非金属材料は部品が高温にさらされない用途に
広範に使用されている。たとえば、６０容量％のグラフ
ァイト繊維を硬化性エポキシ母材中に含有する複合材料
がある。
【０００３】このような材料を製造する一般的な方法の
一つでは、複合材料の製造業者は、「プリプレグ」を製
造している。プリプレグとは、適当な量の補強材を埋設
した母材を部分的に硬化したものである。補強材は通常
、一方向配列または編成した多方向織布の形態をとる。 プリプレグは標準形態で、たとえば、取扱いを容易にす
る裏当ての付いた厚さ０．００５インチ、幅６インチの
テ―プまたは厚さ０．０１３インチの布として得られる
。プリプレグは部品のメ―カ―に供給され、メ―カ―は
プリプレグの多数のプライを、設計上必要とされる適当
な形状および厚さにレイアップする。つまり、プリプレ
グは、部品メ―カ―が積層部品を積層するのに用いる原
料である。
【０００４】プリプレグテ―プまたは布を適切な積層関
係に配列した後、プライ積層体を圧密化して、レイアッ
プ過程から必然的に生じる気孔や空隙を除去し、母材の
硬化を完了する。圧密化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ
　）は、通常、高温で部品に外部圧力を加えて達成し、
母材の硬化前に気孔や空隙を閉じるようにする。
【０００５】たとえば、部品が平坦なシ―トである場合
、硬質成形型をシ―トの片面に当て、軟質加圧膜、たと
えば耐熱性ガス不透過性ポリイミド真空バッグをシ―ト
の他面に当てる。圧力を加圧膜に加える。たとえば約２
００ポンド／平方インチの圧力のような正の流体（液体
または気体）圧力を膜の外面に加えるか、膜と複合材料
の間の空間を真空にし、外部の大気圧を圧密化圧力とし
て利用する。正圧と真空両方の圧密化を一緒に利用する
ことが多く、良い結果が得られる。
【０００６】このような現行の技術は、部材または本体
が平坦であるか単純な曲面を持つだけである場合にはう
まく機能する。しかし、この圧密化方法で複雑に湾曲し
た本体を作ろうとすると、複合部品の凹面にブリッジン
グや折り目のような不整部が生じ、これらがその領域の
複合材料の強度低下や早期破壊につながるおそれがある
。
【０００７】複合プリプレグ材料を最終硬化体、特に複
雑な曲面を有する硬化体に圧密化する方法の改良が求め
られている。この発明は、この要求に答えるもので、そ
れに伴って多数の利点をもたらす。
【０００８】
【発明の概要】この発明は、複雑に湾曲しているか、な
んらかの理由で圧密化および硬化作業中に不整部を生成
しがちな複合本体または部品を圧密化する方法および装
置を提供する。この発明の思想は、硬質成形型（ｔｏｏ
ｌ）および加圧膜を使用し、膜に圧力を加えて複合材料
本体の圧密化を達成する点で、現行の技術と一致してい
る。しかし、成形用具および加圧膜を、複合材料本体へ
の欠陥の導入を最小にするような革新的な仕方で配置す
る点で異なっている。
【０００９】この発明による非平面形状を有する複合材
料本体の圧密化方法は、補強繊維を母材に埋設した非圧
密化プライ複数枚からなる構造を有し、第１側面および
その反対側の第２側面を有する複合材料本体であって、
この本体の形状が複雑に湾曲しており、第１領域で複合
材料の第１側面が曲線の凹面を形成し、第２領域で複合
材料の第２側面が曲線の凹面を形成する複合材料本体を
用意し、ついで第１領域で第１硬質成形型を複合材料の
第１側面に接触関係に配置し、第２領域で第２硬質成形
型を複合材料の第２側面に接触関係に配置し、第１圧密
化用加圧膜を第１領域で複合材料の第２側面に当て、第
２圧密化用加圧膜を第２領域で複合材料の第１側面に当
て、そして第１圧密化用加圧膜および第２圧密化用加圧
膜に圧力を加え、これにより複合本体に圧力を加え複合
本体を圧密化させる工程を含む。
【００１０】従来の慣例の方法では、複合材料本体の特
定の形状にかかわりなく、硬質成形用具を非圧密化複合
材料本体の片側に置き、加圧膜を他側に置く。複合材料
本体が平坦であるか、単純な曲面でも、成形型をその曲
面の凹面側に置くならば、この方法はうまく機能する。 加圧膜からの圧力により、複合材料が成形型に対し圧縮
されるからである。硬質成形型が存在するので、それに
より、成形型に接触する表面の形状および寸法が規定さ
れ、成形型は複合材料本体の表面プライに欠陥が形成さ
れるのを防止する。
【００１１】他方、部品が複雑に湾曲していると、硬質
成形用具を片側に置くだけでは品質が不均一になる。こ
こで複雑な湾曲とは、複合本体の凹面が時に複合材料の
第１側面にあり、時に第２側面にあるという意味である
。複合本体の凹面に向いた側面が硬質成形型に接してい
る領域では、その領域の品質は通常良好である。しかし
、複合本体の凹面が硬質成形型とは反対側にある（すな
わち、複合本体の凸面が硬質成形型と接触する側にある
）領域では、凹面が軟質加圧膜と接触しそれのみで支持
されるが、これは通常、欠陥の発生を防止するのに、特
に曲げ半径が小さい鋭いコ―ナ―で、不十分である。
【００１２】この発明の方法では、硬質成形用具を、複
合本体を適切に圧迫し、欠陥の発生を阻止するのにその
存在が必要とされる側に配置する。複雑に湾曲した部品
の場合、特定の例によりどちら側ともなるが、成形用具
を複合本体の凹面に向いた側面に配置する。その結果、
成形用具は一層複雑になるが、全体に品質の良好な部品
を製造する可能性は著しく高くなる。したがって、この
方法により製造した複雑な形状の複合材料部品は、それ
以外の方法では得られないものである。
【００１３】広義には、この発明による複合材料本体の
圧密化方法は、補強繊維を母材に埋設した非圧密化プラ
イ複数枚からなる構造を有し、第１側面およびその反対
側の第２側面を有する複合材料本体を用意し、ついで第
１領域で第１硬質成形型を複合材料の第１側面に当て、
第２領域で第２硬質成形型を複合材料の第２側面に当て
、第１領域で第１圧密化用加圧膜を複合材料の第２側面
に当て、第２領域で第２圧密化用加圧膜を複合材料の第
１側面に当て、そして第１圧密化用加圧膜および第２圧
密化用加圧膜に圧力を加え、これにより複合本体に圧力
を加え複合本体を圧密化させる工程を含む。
【００１４】圧密化に先だって、複数のプライから形成
した複合材料の未圧密化本体を、まず減容して、複合本
体を部分的に圧密化する必要がある。減容（ｄｅｂｕｌ
ｋｉｎｇ　）は、通常、周囲温度で行われるので、複合
材料の母材はそれ以上硬化（キュア）しない。減容は１
段階または数段階で行い、数段階の減容を行うのは、複
数枚のプライをレイアップし、減容し、追加の複数枚の
プライをレイアップし、減容することを繰り返すのが望
ましい場合である。
【００１５】この発明の方法は、減容を１段階または数
段階で行い、次に最終の圧密化を行う。本発明のこの観
点による複合材料本体の圧密化方法は、補強繊維を母材
に埋設した非圧密化プライ複数枚からなる構造を有し、
第１側面およびその反対側の第２側面を有する複合材料
本体を用意し、ついで第１領域で第１硬質減容用成形型
を複合材料本体の第１側面に当てる工程と、第２領域で
第２硬質減容用成形型を複合材料本体の第１側面に当て
る工程と、第１および第２領域両方で単一の連続な減容
用加圧膜を複合材料本体の第２側面に当て、圧力を第２
側面全体に均一に加えられるようにする工程と、減容用
加圧膜に圧力を加えて、複合材料本体を少なくとも部分
的に圧密化させる工程と、上記減容用加圧膜を複合材料
本体の第２側面から、また第２減容用成形型を第２領域
の複合材料本体の第１側面から取り外す工程とにより複
合材料本体を減容し、第２領域で第３硬質成形型を複合
材料本体の第２側面に当て、第１領域のみで第１圧密化
用加圧膜を複合材料本体の第２側面に当て、第２領域の
みで第２圧密化用加圧膜を複合材料本体の第１側面に当
て、そして同時に複合材料本体を加熱しながら、第１圧
密化用加圧膜および第２圧密化用加圧膜に圧力を加え、
これにより複合材料をさらに圧密化させる工程を含む。
【００１６】この発明は、複合材料を物品に圧密化する
のに用いる、成形用具および加圧膜の配置を含む装置に
も及ぶ。本発明のこの観点による、第１側面およびその
反対側の第２側面を有する非圧密化複合材料本体を圧密
化する装置は、第１領域で複合本体の第１側面と適合す
る形状の第１硬質成形型と、第２領域で複合本体の第２
側面と適合する形状の第２硬質成形型と、第１領域で複
合本体の第２側面と接触するよう配置する第１圧密化用
加圧膜と、第２領域で複合本体の第１側面と接触するよ
う配置する第２圧密化用加圧膜と、第１および第２圧密
化用加圧膜に圧力を加える手段とを備える。
【００１７】この装置の変形例は、減容を行う減容用成
形用具を含み、減容終了後、これを取り外し、圧密化用
成形用具に取り替える。所望に応じて、減容用の硬質成
形用具を圧密化操作を行うのにも利用してもよいが、あ
るいは別個の圧密化用成形用具を利用してもよい。本発
明のこの観点による、第１側面および第２側面を有する
複合材料を圧密化する装置は、第１領域で複合材料本体
の第１側面と適合する形状の減容用の第１硬質成形型と
、第２領域で複合材料本体の第１側面と適合する形状の
減容用の第２硬質成形型と、第１および第２領域両方で
複合材料本体の第２側面と適合する寸法の減容用加圧膜
と、第２領域で複合材料本体の第２側面と適合する形状
の第３硬質成形型と、第１領域で複合材料本体の第２側
面と適合する寸法の第１圧密化用加圧膜と、第２領域で
複合材料本体の第１側面と適合する寸法の第２圧密化用
加圧膜とを備える。
【００１８】この発明による圧密化用成形用具の配置は
「クロスオ―バ―」成形用具と称される。硬質成形用具
を、ある領域では複合本体の片側に、別の領域では複合
本体の他側に配置するからである。圧密化の力を複合本
体のすべての区域および領域に均一に加えるように注意
を払う必要がある。そうしないと、空隙や他の欠陥を含
む圧密化不足の領域が残り、このような欠陥が使用中の
本体または部品の早期破損につながる恐れがある。
【００１９】この発明による複合本体の圧密化方法から
は、従来の方法と比較して、優れた最終構造が得られる
。必要な成形用具は従来のものより複雑であるが、通常
、よく必要とされる形状については簡単に構成できる。 この発明の他の特徴および利点は、この発明の原理を具
体的に説明する、添付図面と関連した以下の好適な実施
態様の説明から明らかになるであろう。
【００２０】
【実施例の記載】第１図に複合材料から形成すべき部品
２０の具体例を示す。部品２０は、中空円筒本体２２お
よび本体２２の両端の厚いフランジ２４からなり、同様
の部品と端部同士で接合してダクトを形成することがで
きる。この発明の方法を具体的に説明するために部品２
０を選んだのは、これが従来の方法では欠陥なしに簡単
に製作することができない複心曲面を有する部品だから
である。
【００２１】本体２２および２つのフランジ２４は、第
２図に示すような複合材料の個別プライから単一の一体
の本体として形成される。複合材料本体２６は、プリプ
レグ材料の個別プライ２８を互いに積み重ねることによ
り形成する。このような本体２６を製造する際に遭遇す
る代表的な状況では、各プリプレグ・プライ２８を、所
定の割合の補強用繊維、たとえば炭素フィラメントを埋
設した、部分的に硬化したポリマ―、たとえばポリイミ
ドまたはエポキシの母材（マトリックス）から形成する
。補強用繊維は本質的に１方向に整列させることができ
、この場合、プリプレグは代表的には厚さ０．００５イ
ンチ、幅６インチのテ―プとして供給される。別の例で
は、補強用繊維を織って多方向に並べてもよく、この場
合、プリプレグは、圧密化および硬化後に代表的には厚
さ０．０１３インチの織布として商業的に供給される。 いずれの場合にも、プリプレグの母材は未硬化であるか
僅かに硬化済みなだけである。
【００２２】もっと厚い本体を製作するには、プリプレ
グ・テ―プまたは織布の個別プライを所望の厚さに達す
るまで順次積層することにより、次第に厚くしてゆく。 第２図の図解では、プリプレグ材料のプライ２８を４枚
重ねているが、この工程を展開して数十プライを一緒に
重ねることが多い。
【００２３】第２図に略図的に示したように、積層した
プライ間には空の空間または空隙３０が存在する。プリ
プレグ・プライ２８が製造業者から供給される際に完全
に平坦ではないからである。また、各プライ２８の内部
には、顕微鏡でなら見えるが、第２図のマクロな図では
見えないミクロな空隙もある。これらの空隙を実質的に
すべて除去して、最終構造中に空隙が残らないようにし
なければならない。理想的には、圧密化処理によりマク
ロな空隙もミクロな空隙も閉じ、同時にプライの母材材
料の硬化を完了する。その結果得られる複合体は健全で
、重量に比して大きな強度を有し、したがって航空機そ
の他の構造体に用いる材料として十分に期待できる。
【００２４】第３図は、第１図のフランジ付き円筒体を
形成するために、複合材料を圧密化する慣用の従来法を
説明する。（第３図の断面で見て）円筒本体２２の内壁
３４および各フランジ２４およびフランジ面３６を画定
する円筒対称の鋼成形型３２に対して、個別のプライ２
８をレイアップする。
【００２５】複合材料プライ２８の反対側面、すなわち
成形型３２に接触しない表面の上に真空バッグ３８をシ
―ルする。プライ２８の表面に圧力を加えるため、成形
型３２と真空バッグ３８との間の空間と連通するポ―ト
４０から真空に引く。これにより、約１４〜１５ポンド
／平方インチの大気圧が真空バッグ３８の外面に、また
したがってプライ２８に均一に加えられる。成形用具お
よび積層したプライ全体を加圧オ―トクレ―ブに入れ、
加熱し、これによりプライ内の母材材料を流れさせ、こ
うして空隙３０を次第に小さくし、閉じてゆく。通常、
加熱前に真空に引き、母材ポリマ―がキュアし硬化し、
こうして空隙がそれ以上閉じるのを阻止するようになる
前に、空隙を閉じる。この方法をとることにより、空隙
を閉じてから、母材を硬化する。
【００２６】しかし、この従来の方法は、第４図および
第５図に示すように、円筒本体２２とフランジ２４との
間の移行部をなすコ―ナ―に、圧密化により誘引された
欠陥が生じるという結果を招く。第４図の欠陥４２は、
本質的には、円筒本体２２からフランジ２４へ移行する
コ―ナ―において、複合本体２６の凹面に位置する複合
材料の表面プライに生じたしわである。しわが生じるの
は、空隙をつぶし、複合本体２６の厚さを小さくする際
に、真空バッグ３８がプライを押さえる程硬質でないか
らである。
【００２７】もう一つの欠陥４３は、第５図に示すタイ
プのもので、「ブリッジング」と称されている。弛んで
ひだを作るブリッジングが起こるのは、圧密化の間でも
、各プライの長さが一定であるからである。両端が成形
用具で固定された長さの一定なプライをコ―ナ―に押し
込むと、そのプライはコ―ナ―の形状に合致するのに十
分な長さを持たず、またそのように延びることもできな
い。その結果コ―ナ―に空隙ができる。第４図および第
５図の欠陥４２および４３はともに極めて不都合である
。このような欠陥は、円筒本体２２からフランジ２４へ
の移行が起こる内部コ―ナ―で複合材料本体２６を弱く
し、本体または部品の使用中に、そこでの破損につなが
る恐れがあるからである。
【００２８】これとは対照的に、このような欠陥のない
望ましい構造を第６図に示す。
【００２９】欠陥発生の問題は、単に、円筒本体２２の
外壁を画定するだけでなく、フランジ２４も画定する成
形用具と、また複合材料がその成形用具と接触する側（
すなわち、円筒本体２２の内径およびフランジ面３６）
とは反対の複合材料の表面に対してシ―ルされた真空バ
ッグとを用意するだけでは、解決できないが、その理由
は第７図に示す通りである。部品２０は、複数の局部的
な曲率中心をもつ結果として複心曲面を有する。円筒本
体２２は部品２０の内側に曲率半径４４を有する。 円筒本体２２とフランジ２４との交差部を形成するコ―
ナ―は、部品２０の外側に別の曲率半径４６を有する（
第４〜６図にも示す）。もしも成形用具および真空バッ
グの位置を第３図に示した位置とは反対にしたら、円筒
本体２２の内面で同じ欠陥問題に遭遇することになる。 さらに、特定の部品２０では、円筒本体２２の内径を厳
密な仕様値に維持する必要があり、成形用具および真空
バッグの位置を逆転すると、そのような値の維持ができ
なくなる。
【００３０】この発明を第８図および第９図に示す。レ
イアップ、減容、および圧密化の３工程からなる方法を
用いる。第８図に示すように、最初に複合材料のプライ
をレイアップするために、個別のプライ２８を部品の片
側に位置する成形用具に当てる。成形用具は、部品の円
筒表面を画定する第１硬質成形型４７と、フランジ２４
のフランジ面３６およびフランジ２４および円筒表面間
のコ―ナ―を画定する減容用の第２の取り外し可能な端
部成形型４８とを含む。硬質成形型をすべて部品の片側
に配置したこの成形用具の構成では、プライを部品２０
の大体正しい形状に配置するのが容易になる。
【００３１】減容について説明するため、さらに第８図
を参照すると、減容用加圧膜４９をプライ２８の成形用
具とは反対側にかぶせ、そしてポ―ト５０を通してプラ
イ２８および膜４９間の空間を真空に引く。その結果プ
ライ２８にかかる外部圧力が、プライ２８を成形用具に
より画定された概略形状に押し込む。成形用具および複
合材料プライを減容中に僅かに、しかし硬化温度より低
い温度に加熱して母材を軟化するのがよく、この結果、
減容中に複合材料の硬化はほとんどまたはまったく起こ
らない。減容は組み立てたプライを寸法規制（サイジン
グ）し、硬化した複合物品にしわが生じる傾向を抑える
。寸法規制により、圧密化成形用具が本体にもっと簡単
に適合することが可能になる。減容は、複合材料を最終
的な硬化済み形状に固定することなく、空隙の一部を除
去する。しかし、減容だけでは空隙を最後まで除去する
のに十分ではなく、仕上げ済み部品をつくれない。
【００３２】減容後、減容用加圧膜４９を取り外し、減
容用の第２硬質成形型４８の代わりに第３の硬質成形型
５６を使用する。第３硬質成形型５６は、第９図に円筒
の片方の端部について示すように、円筒の各端部にひと
つである。第１硬質成形型４７は、レイアップ、減容お
よび圧密化の間、内部円筒面に沿って同じ位置に留まる
。したがって、圧密化の間、硬質成形用具を複数の構成
要素からなるものとし、その一部を部品２０の片側に置
き、また一部を部品２０の反対側に置く。同様に、減容
用加圧膜の代わりに、複数の加圧膜を硬質成形用具の構
成要素に対して反対側に配置する。
【００３３】具体的には、第１硬質成形型４７を、円筒
本体の内面、すなわち凹面３４に隣接して、曲率半径４
４が部品２０の同じ側にある領域にわたって、配置する
。第１圧密化用加圧膜５２を第１硬質成形型４７とは反
対側、すなわち円筒本体２２の外面５４に隣接して配置
する。第３の硬質成形型５６を配置する。詳しくは、第
３硬質成形型５６の平坦な表面５７が、フランジ２４の
内向き表面に接し、内向き表面を画定し、また第３硬質
成形型５６の凸面５８が、本体２２とフランジ２４との
間のコ―ナ―の凹状曲面に接し、凹状曲面を画定するよ
うに、曲率半径４６が部品２０のその側にある領域に、
第３成形型５６を配置する。４部品のスパイダ工具５９
により、第３硬質成形型５６を第１硬質成形型４７に対
して所定の位置に取り外し自在に固定する。第２の圧密
化用加圧膜６０を第３硬質成形型５６とは反対側、すな
わち各フランジコ―ナ―の凸面６２に隣接するプライの
側に配置する。すべての加圧膜をその端縁に沿って複合
材料技術で通常用いられる形式の圧力シ―ル６１で密封
する。
【００３４】こうして、部品２０の各領域は、片側に硬
質成形型を、反対側に加圧膜をもつことになるが、硬質
成形型または加圧膜が位置する側面は必要に応じて交換
することができ、その領域における複合材料の凹状のも
っとも鋭く湾曲した表面に隣接して硬質成形型を配置す
ればよい。成形型および膜の片側から他側への変換が起
こる位置をクロスオ―バ―点６４という。
【００３５】クロスオ―バ―点６４で、成形型および加
圧膜の部品２０の片側から他側への移行が滑らかになる
ことが好ましい。滑らかな移行は、硬質成形型４７およ
び５６をテ―パして傾斜面６６および６８を付けること
によって、容易に行われる。これらの傾斜面６６および
６８を設けることにより、図示のように隣接する加圧膜
を部品２０の表面と滑らかなしわのない関係で接触させ
ることができる。他方、もしも、成形型４７および５６
の端部が直角に切られていると、これらの端部にかかる
加圧膜がそのコ―ナ―でしわになり、圧密化圧力を複合
材料本体２６に滑らかに加えることができない。
【００３６】圧密化圧力を加えるには、各加圧膜５２お
よび６０と複合材料本体２６の隣接部分との間の空間の
内部と連通する真空ポ―ト７０を通して、各加圧膜５２
および６０の内面に真空を引けばよい。このとき、真空
が加圧膜が画定した内部空間それぞれと確実に連通する
ように注意しなければならない。真空ポ―ト７０から真
空に引くと、１４〜１５ポンド／平方インチの大気圧が
加圧膜それぞれに加わり、本体２６が成形型それぞれに
対して圧密化されることになる。もっと大きな圧力が必
要な場合には、追加の措置として、部品および成形用具
全体をオ―トクレ―ブと称される加圧加熱室に入れるこ
とにより、正のガス圧を加圧膜の外面に加える。もっと
も好ましくは、真空および外部ガス圧両方を適切に組み
合わせて加えるか、あるいは特定の形状の部品で必要に
なるように、部品の異なる領域ごとに異なる量の真空お
よび圧力を加えることができる。
【００３７】通常、圧密化中、複合材料を加熱して、母
材を軟化することにより圧密化を助けるとともに、複合
材料のポリマ―母材を硬化する。加熱は、通常、オ―ト
クレ―ブ内の加熱素子によって行う。あるいは、複合部
品および成形用具のまわりに加熱テ―プを巻いたり、加
熱素子７２を成形用具に埋設したりすることにより熱を
加えることもできる。
【００３８】第９図に図示した方法は、第４図および第
５図に示したものに比べて、部品２０の諸領域の凹面か
ら欠陥を取り除くことができる。円筒本体およびフラン
ジ間のコ―ナ―は、第６図に示したコ―ナ―のように滑
らかで、凹凸がなく、折り目やブリッジングもない。さ
らに、多くの部品に通常要求されるように、これらの表
面を特定の寸法仕様の凹面および隣接する平坦表面に仕
上げることができる。
【００３９】第１図に示すタイプの複合部品をこの発明
の方法により製造した。円筒本体の内径は約３６インチ
、長さは約１５インチであった。円筒本体および各フラ
ンジの厚さは、部品の完成後で、約０．２インチであっ
た。この例の複合材料を約６０容量％の炭素繊維を含有
するポリイミド材料の部分硬化母材から形成した。
【００４０】部品を製造するために、第８図に示すよう
な鋼の成形型を治具で所定の位置に保持し、複合材料プ
リプレグの１５プライを成形用具の上にレイアップし、
１度に５プライずつで、レイアップ工程間にその時まで
にレイアップされているプライの減容を行った。すなわ
ち、最初の５プライをレイアップし、ついで減容した。 つぎの５プライを追加し、合計１０プライを減容した。 最後の５プライをレイアップしてから、最終減容を行っ
た。各減容工程では、表示数のプライをレイアップし、
減容用膜としてポリイミド・フィルムを成形用具とは反
対側で複合材料に当てた。真空ラインの機械的真空ポン
プを作動させて真空に引くことにより、加圧膜を介して
複合材料に圧力を約１５分間加え、こうして複合材料本
体を減容した。減容操作の間、複合材料部品を約１５０
°Ｆに加熱した。
【００４１】圧密化のために、減容用の硬質成形型を取
り外し、代わりに第２組の硬質成形型を設置した。ポリ
イミド・フィルムの圧密化用膜を硬質成形用具とは反対
側で複合材料に対して配置し、第９図に示す態様で、成
形用具の最終組立に先だって、所定の位置にシ―ルした
。（あるいは、ビトン（ｖｉｔｏｎ）またはテフロン膜
のような他の軟質材料を用いることもできる。）成形用
具および複合材料をオ―トクレ―ブに入れ、オ―トクレ
―ブでの加熱に先立って、機械的真空ポンプから圧密化
用膜と成形用具との間の空間を真空に引いた。不活性雰
囲気で２００ポンド／平方インチのオ―トクレ―ブ圧力
を確立した。つぎに、オ―トクレ―ブ内で成形用具およ
び複合材料を６００°Ｆの温度に加熱し、１８０分間維
持し、ポリイミド複合母材の完全な圧密化および硬化を
行った。つぎに、成形用具および圧密化した複合材料を
周囲温度まで冷却し、成形用具を取り外した。得られた
複合材料部品は優れた品質のもので、第４図および第５
図に関連して説明したタイプの欠陥を呈さなかった。
【００４２】図面に示した好適な実施例について説明し
たが、この発明の方法はそれだけに限定されない。この
発明は、部品に２つ以上の曲面があり、単一の硬質成形
型と真空バッグを配置するだけでは前述した問題を回避
するように設計できない場合に、多種多様な部品に利用
できる。必要な成形用具および膜は、第８，９図と第３
図とを比べれば明らかなように、クロスオ―バ―法が従
来の方法より複雑であるが、このような複雑さを加える
ことで、従来の方法に付随した欠陥のない部品の作製が
可能になる。
【００４３】この発明の技術の別の適用例を第１０図に
示す。複合本体８０は、第１領域に適切に画定された第
１表面８２を、第２領域に（大体８０の他側に）適切に
画定された第２表面８４を持つ必要がある。第１硬質成
形型８６を第１表面８２に接触させ、第２硬質成形型８
８を第２表面８４に接触させる。第１加圧膜９０を第１
硬質成形型８６とは反対側の領域で第２表面８４に接触
させる。第２加圧膜９２を第２硬質成形型８８とは反対
側で第１表面８２に接触させる。前述した態様で圧密化
を達成する。
【００４４】以上、この発明を特定の例および実施態様
について説明したが、当業者であれば、この発明はその
要旨を逸脱しない範囲内で変更、変形可能であることが
理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】端部フランジを有する円筒の形態の複合体の斜
視図である。
【図２】複合材料のプライ複数枚を積層した積層体の縦
断面図である。
【図３】図１の複合本体を圧密化するための従来の成形
型の縦断面図である。
【図４】図３の細部の拡大図であって、従来法を用いた
圧密化から生じるコ―ナ―付近のプライの構造を示す。
【図５】図４と同様の図であって、コ―ナ―に生じる別
のタイプの欠陥を示す。
【図６】図４と同様の図であるが、コ―ナ―付近の望ま
しい構造を示す。
【図７】用語法を説明するため、複合体の複雑に湾曲し
た表面を示す略図的斜視図である。
【図８】圧密化前の複合材料のレイアップ工程を示す装
置の縦断面図である。
【図９】クロスオ―バ―成形用具設置方法を用いて図１
の複合円筒体を圧密化する装置の縦断面図である。
【図１０】この発明の方法により別の部品を製作する態
様を示す縦断面図である。
【符号の説明】
２０　　部品 ２２　　円筒本体 ２４　　フランジ ２８　　プライ ３４　　本体の内壁 ３６　　フランジ面 ４７　　第１硬質成形型 ４８　　第２硬質成形型 ４９　　減容用加圧膜 ５０　　ポ―ト ５２　　第１圧密化用加圧膜 ５４　　本体の外面 ５６　　第３硬質成形型 ５８　　凸面 ５９　　スパイダ成形用具 ６０　　第２圧密化用加圧膜 ６１　　圧力シ―ル ６２　　凸面 ６４　　クロスオ―バ―点 ６６，６８　　傾斜面 ７０　　真空ポ―ト ７２　　加熱素子

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　補強繊維を母材に埋設した非圧密化プ
    ライ複数枚からなる構造を有し、第１側面およびその反
    対側の第２側面を有する複合材料本体を用意し、ついで
    第１領域で第１硬質成形型を複合本体の第１側面に当て
    、第２領域で第２硬質成形型を複合本体の第２側面に当
    て、第１領域で少なくとも２つの面を有する第１圧密化
    用加圧膜を複合本体の第２側面に当て、第２領域で少な
    くとも２つの面を有する第２圧密化用加圧膜を複合本体
    の第１側面に当て、そして第１圧密化用加圧膜および第
    ２圧密化用加圧膜に圧力を加え、これにより複合本体に
    圧力を加え複合本体を圧密化させる工程を含む複合材料
    本体の圧密化方法。
  2. 【請求項２】　　さらに、第２圧密化用加圧膜を当てる
    工程の後、複合材料、成形型および圧密化用加圧膜を高
    温に加熱して複合材料を硬化させる工程を含む請求項１
    に記載の方法。
  3. 【請求項３】　　複合材料の本体が凸面および凹面を有
    する湾曲領域を少なくとも２つ含み、硬質成形型を各湾
    曲領域の凹面に当て、圧密化用加圧膜をそれぞれ対応す
    る湾曲領域の凸面に当てる請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】　　圧力を加える工程を、圧密化用加圧膜
    の複合材料本体と接触していない面に正圧を加えること
    により達成する請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】　　圧力を加える工程を、複合材料に隣り
    合う圧密化用加圧膜の面を真空に引くことによって達成
    する請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】　　さらに、複合材料本体を用意する工程
    の後かつ第１硬質成形型を当てる工程の前に、複合材料
    本体を減容する工程を含む請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】　　複合材料を加熱する工程および加圧す
    る工程をオ―トクレ―ブ内で行う請求項２に記載の方法
    。
  8. 【請求項８】　　請求項１に記載の方法により製造した
    複合材料の圧密化品。
  9. 【請求項９】　　補強繊維を母材に埋設した非圧密化プ
    ライ複数枚からなる構造を有する複合材料本体であって
    、この本体の形状が複雑に湾曲しており、第１領域で複
    合材料の第１側面が曲線の凹面を形成し、第２領域で複
    合材料の第２側面が曲線の凹面を形成する複合材料本体
    を用意し、ついで第１領域で第１硬質成形型を複合材料
    の第１側面に当て、第２領域で第２硬質成形型を複合材
    料の第２側面に当て、第１領域で第１圧密化用加圧膜を
    複合材料の第２側面に当て、第２領域で第２圧密化用加
    圧膜を複合材料の第１側面に当て、そして第１圧密化用
    加圧膜および第２圧密化用加圧膜に圧力を加え、これに
    より複合材料に圧力を加え複合材料を圧密化させる工程
    を含む非平面形状を有する複合材料本体の圧密化方法。
  10. 【請求項１０】　　圧力を加える工程を、圧密化用加圧
    膜の複合材料本体と接触していない側面に正圧を加える
    ことにより達成する請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】　　圧力を加える工程を、複合材料に面
    する圧密化用加圧膜の側面を真空に引くことによって達
    成する請求項９に記載の方法。
  12. 【請求項１２】　　さらに、第２圧密化用加圧膜を当て
    る工程の後、複合材料本体、成形型および圧密化用加圧
    膜を周囲温度より高い温度に加熱して複合材料を硬化さ
    せる工程を含む請求項９に記載の方法。
  13. 【請求項１３】　　複合材料本体がフランジ付きの円筒
    の形状を有する請求項９に記載の方法。
  14. 【請求項１４】　　さらに、複合材料本体を用意する工
    程の後かつ第１硬質成形型を当てる工程の前に、複合材
    料を減容する工程を含む請求項９に記載の方法。
  15. 【請求項１５】　　複合材料を加熱する工程および加圧
    する工程をオ―トクレ―ブ内で行う請求項１２に記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】　　請求項９に記載の方法により製造し
    た複合材料の圧密化品。
  17. 【請求項１７】　　補強繊維を母材に埋設した非圧密化
    プライ複数枚からなる構造を有し、第１側面およびその
    反対側の第２側面を有する複合材料本体を用意し、つい
    で第１領域で第１硬質成形型を複合材料本体の第１側面
    に当てる工程と、第２領域で第２硬質成形型を複合材料
    本体の第１側面に当てる工程と、第１および第２領域で
    減容用加圧膜を複合材料本体の第２側面に当てる工程と
    、減容用加圧膜に圧力を加えて、複合材料本体を少なく
    とも部分的に圧密化させる工程と、上記減容用加圧膜お
    よび第２硬質成形型を取り外す工程とにより複合材料本
    体を減容し、第２領域で第３硬質成形型を複合材料本体
    の第２側面に当て、第１領域で第１圧密化用加圧膜を複
    合材料本体の第２側面に当て、第２領域で第２圧密化用
    加圧膜を複合材料本体の第１側面に当て、そして同時に
    複合材料本体を加熱しながら、第１圧密化用加圧膜およ
    び第２圧密化用加圧膜に圧力を加え、これにより複合材
    料をさらに圧密化させるとともに硬化させる工程を含む
    複合材料本体の圧密化方法。
  18. 【請求項１８】　　複合材料を加圧し同時に加熱する工
    程をオ―トクレ―ブ内で行う請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】　　複合材料本体が複雑に湾曲しており
    、第１領域で第１側面が凹状で、第２領域で第２側面が
    凹状である請求項１７に記載の方法。
  20. 【請求項２０】　　減容工程が、複合材料を周囲温度よ
    り高いが硬化温度より低い温度に加熱する追加の工程を
    含む請求項１７に記載の方法。
  21. 【請求項２１】　　請求項１７に記載の方法により製造
    した複合材料の圧密化品。
  22. 【請求項２２】　　第１側面およびその反対側の第２側
    面を有する非圧密化複合材料本体を圧密化する装置にお
    いて、第１領域で複合本体の第１側面と適合する形状の
    第１硬質成形型と、第２領域で複合本体の第２側面と適
    合する形状の第２硬質成形型と、第１領域で複合本体の
    第２側面と接触するよう配置する第１圧密化用加圧膜と
    、第２領域で複合本体の第１側面と接触するよう配置す
    る第２圧密化用加圧膜と、各硬質成形型とは反対側で複
    合本体に圧力を加える手段とを備える複合材料本体の圧
    密化装置。
  23. 【請求項２３】　　さらに、装置を加熱する手段を含む
    請求項２２に記載の装置。
  24. 【請求項２４】　　圧密化されていない複合材料の本体
    であって、形状が複雑な曲面を有し、第１領域で複合本
    体の第１側面が凹状であり、第２領域で複合本体の第２
    側面が凹状である複合材料本体を圧密化する装置におい
    て、第１領域で複合本体の第１側面と適合する形状の第
    １硬質成形型と、第２領域で複合本体の第２側面と適合
    する形状の第２硬質成形型と、第１領域で複合本体の第
    ２側面と接触するよう配置する第１圧密化用加圧膜と、
    第２領域で複合本体の第１側面と接触するよう配置する
    第２圧密化用加圧膜と、各硬質成形型とは反対側で複合
    本体に圧力を加える手段とを備える複合材料本体の圧密
    化装置。
  25. 【請求項２５】　　さらに、装置を加熱する手段を含む
    請求項２４に記載の装置。
  26. 【請求項２６】　　第１側面および第２側面を有する複
    雑な形状の複合材料本体を圧密化する装置において、第
    １領域で複合材料本体の第１側面と適合する形状の第１
    硬質成形型と、第２領域で複合材料本体の第１側面と適
    合する形状の第２硬質成形型と、第１および第２領域で
    複合材料本体の第２側面と適合する寸法の減容用加圧膜
    と、第２領域で複合材料本体の第２側面と適合する形状
    の第３硬質成形型と、第１領域で複合材料本体の第２側
    面と適合する寸法の第１圧密化用加圧膜と、第２領域で
    複合材料本体の第１側面と適合する寸法の第２圧密化用
    加圧膜とを備える複合材料本体の圧密化装置。
  27. 【請求項２７】　　第１側面および第２側面を有する複
    雑な形状の複合材料本体を圧密化する装置において、第
    １および第２領域で複合材料本体の第１側面と適合する
    寸法の減容用硬質成形型と、第１および第２領域で複合
    材料本体の第２側面と適合する寸法の減容用加圧膜と、
    第１領域で複合材料本体の第１側面と適合する形状の第
    １硬質成形型と、第２領域で複合材料本体の第２側面と
    適合する形状の第２硬質成形型と、第１領域で複合材料
    本体の第２側面と適合する寸法の第１圧密化用加圧膜と
    、第２領域で複合材料本体の第１側面と適合する寸法の
    第２圧密化用加圧膜とを備える複合材料本体の圧密化装
    置。
  28. 【請求項２８】　　上記第１硬質成形型が第１領域で複
    合材料本体の第１側面上の凹面と適合する形状とされ、
    上記第２硬質成形型が第２領域で複合材料本体の第２側
    面上の凹面と適合する形状とされている請求項２７に記
    載の装置。
JP2411586A 1990-04-20 1990-12-19 複合材料を圧密化するクロスオ―バ―成形用具 Pending JPH04270610A (ja)

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