JPH04294110A - 適合可能な複合材成形型 - Google Patents

適合可能な複合材成形型

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JPH04294110A
JPH04294110A JP3353700A JP35370091A JPH04294110A JP H04294110 A JPH04294110 A JP H04294110A JP 3353700 A JP3353700 A JP 3353700A JP 35370091 A JP35370091 A JP 35370091A JP H04294110 A JPH04294110 A JP H04294110A
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mold
pressure
deformable
deformable mold
resin
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Terry Martin Boustead
テリー　マーティン　ボウステッド
Paul Albert Vallier
ポール　アルバート　ヴァリアー
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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】
【産業上の利用分野】この発明は、高強度繊維強化複合
材製品の成形方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】樹脂のトランスファ成形は、樹脂を加圧
状態で強化繊維を収容した剛性成形キャビティ内に射出
する成形方法である。繊維は緊密に圧縮されて、キャビ
ティ内に装着され、射出される樹脂によって飽和されま
たは膨潤される。成形型の一方は成形する製品または部
材の表面形状を規定する。
【０００３】この処理の主要な利点は、高い生産性にあ
る。しかしながら、その使用は一般に低強度で、単純な
幾何形状の部材に制限されている。これは、繊維製のプ
リフォームの安定化及び圧縮が困難であり、また、プリ
フォームの成形キャビティへの装着が難しく、誤差を許
容範囲に維持することが困難なことに起因している。
【０００４】特に、航空宇宙工学構造に関しては、上記
のような困難な問題によって、繊維の方向性に狂いを生
じさせ、プリフォームを形成する繊維の片寄りによって
樹脂の不均一、空洞等により成形される部材の強度が著
しく低減する。さらに、成形処理及び材料のコストが高
いため、一つの不良品の発生によって、多くの場合、ト
ランスファ成形に期待されるコスト低減効果を滅殺して
しまうことになる。
【０００５】樹脂のトランスファ成形方法に関連する問
題のために、負圧成形や予め樹脂を含浸した複合材繊維
を金属製成形型に一致させる等の従来より知られている
成形方法が一般的に行われている。樹脂を含浸した複合
材重合物を成形キャビティ内または成形面に装着して、
次いでこれを圧縮する方法は、樹脂のトランスファ成形
に較べてリスクが少ない成形方法である。負圧成形はよ
り重合物のかさ変化に対してより許容性の大きな成形方
法であるが、マッチトダイ成形法は、ストリンガやバル
クヘッド等の一体に形成される詳細部の配置をより正確
にすることを可能とする。真空成形及びマッチトダイ成
形の双方は、複合材重合体を一層づつ重層するために大
きな労力を必要とし、このためいずれの方法も高生産率
を達成することは出来ないものと成っている。
【０００６】さらに、近年複合材成形技術として開発さ
れている技術は、例えば、出願人が所有する１９８７年
１２月３日付けで出願されたアメリカ特許出願第１２８
，１３４号の「複雑な複合材製品を成形するための工具
」に開示されている。フッ化エラストマ材料は、繊維強
化材と組み合わされて、半剛性成形型を形成する。この
半剛性成形型は機能的に真空成形方法の可撓性膜として
機能する。最新技術による可撓性膜は、従来使用されて
いるシリコン製ブラダに較べてはるかに丈夫であり、半
剛性に形成されて製造する製品の寸法安定性を向上させ
る。従って、半剛性の工具を使用する方法は、真空成形
及びマッチトダイ成形の双方において最も良好な結果が
得られるものとなる。
【０００７】本発明の目的は、複合材の重合物のかさ変
化に対して許容性が大きく、繊維製プリフォーム材料装
着後の剛性成形型と変形可能な成形型の閉塞を容易とす
る成形方法を提供することにある。
【０００８】また、本発明のもう一つの目的は、成形さ
れる製品に一体に形成される詳細部の位置を正確にする
ことが出来る成形方法を提供することにある。
【０００９】さらに、本発明のもう一つの目的は、硬化
後に廃棄することが可能な複雑な形状の成形型を提供す
ることにある。
【００１０】本発明のさらにもう一つの目的は、高い生
産性及び低いコストで高強度複合材製品を成形すること
が出来る方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第一の構成によれば、一方がエラストマ
層を含み変形可能でかつ剛性可変で、成形する製品の形
状に実質的に一致するように構成され、成形する複合材
製品の表面形状を規定する成形面を有する二つの成形型
と、及び複合材製品の装着、成形及び取り出しを容易と
するために前記変形可能な成形型を支持するために流体
圧を伝達する手段とによって構成したことを特徴とする
複合材製品を成形するためのトランスファ成形装置が提
供される。
【００１２】なお、前記エラストマ層は、一体に成形さ
れる剛性強化または補強詳細部を正確に配置する手段を
有する構成とすることが好ましい。また、前記エラスト
マ層は、フッ化エラストマを含浸させたポリアラミド繊
維で形成することが可能である。さらに、前記変形可能
な成形型を支持するために圧力を伝達する手段は、前記
変形可能な成形型背面に設けた流動性重合体と前記媒体
に外部圧力源からの圧力を伝達するダイヤフラムと、前
記変形可能な成形型を非剛性とした時に前記流動性媒体
を収容するリザーバで構成することが出来る。なお、必
要に応じて、前記変形可能な成形型は、一体に成形され
たＯリングシールを有する構成とすることも可能である
。
【００１３】本発明の第二の構成によれば、背面の流動
性媒体の圧力の負荷により剛性を変化させることが可能
な変形可能な成形型を有し、該成形型が硬化作業中に加
熱されて可撓性となり、成形及び硬化後の複雑な複合材
製品の成形型からの取り出しを容易とする樹脂のトラン
スファ成形装置が提供される。
【００１４】また、本発明の第三の構成によれば、使い
捨ての熱可塑性ライナで構成され、該ライナが硬化処理
中に加熱されて可撓性となり、硬化処理後に剥離可能で
ある樹脂のトランスファ成形装置が提供される。
【００１５】さらに、本発明の第四の構成によれば、流
動性媒体による背面への圧力負荷によって剛性を変化さ
せる変形可能な成形型を有する成形装置を使用して複合
材製品をトランスファ成形する方法であって、強化材を
装着する前に、前記変形可能な成形型の背面に圧力を導
入して前記変形可能な成形型を半剛性状態とし、剛性成
形型を前記変形可能な成形型に嵌合させて成形型を閉塞
し、前記変形可能な成形型背面の圧力を増加させて樹脂
成形処理に必要な剛性を前記変形可能な成形型に付与し
、製品の硬化後に前記変形可能な成形型背面の圧力を減
少させて、成形型からの製品の取り出しを容易とするよ
うにしたことを特徴とするトランスファ成形方法が提供
される。
【００１６】この場合、複合材製品は一体に成形された
強化材を有し、前記強化材は、成形型閉塞前に前記変形
可能な成形型に装着するように構成することが出来る。 また、樹脂成形処理中において変形可能な成形型を支持
する圧力は、実質的に樹脂の射出圧力に等しくすること
が望ましい。
【００１７】
【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面を参照し
ながら説明する。本発明の好適実施例による成形方法は
、従来の成形方法では硬化後に剛性成形型にロックして
しまう折り返しフランジを有する製品の製造に使用され
る。
【００１８】図１について説明すれば、折り返しフラン
ジ１００を持つ複雑な形状の複合材製品を成形する従来
技術による成形装置は、硬化後に剛性成形型からの製品
の取り出しを可能とするために離脱可能なマンドリル１
０２を必要とする。一方、本発明による変形可能な成形
型は、成形された製品を取り出すために離脱可能な部材
を必要としない。
【００１９】図２に示すように、剛性成形型１２は、一
般に金属で形成され、変形可能な剛性可変成形型１４が
他方の成形型として使用される。変形可能な成形型１４
の全面または上面１３には溝１５が形成されており、こ
の溝は剛性強化インサートの位置決めに使用される。図
示の用途において剛性成形型１２は、スチールによって
従来より周知の溶接及び機械加工によって形成される。
【００２０】図示の特定の用途において使用する変形可
能な成形型は、１９８７年１２月３日付けで出願された
出願人が所有するアメリカ特許出願第１２８，１３４号
の「複雑な複合材製品を成形するための工具」に開示さ
れている。この出願の開示内容は、本明細書の開示の一
部として援用する。変形可能な成形型１４は、成形され
る製品の形状に近似したモデルまたはパターン上にエラ
ストマを含浸された繊維を重合させて硬化させることに
よって形成される。この用途において、エラストマは、
例えば３Ｍ社（ミネソタ州セント　　ポール）製のフル
オレル（Ｆｌｕｏｒｅｌ）（登録商標）エラストマまた
はイー．アイ．デュポン社（デラウエア州ウイルミント
ン）製のビトン（Ｖｉｔｏｎ）（登録商標）フッ化エラ
ストマである。なお、フッ化エラストマがその不活性な
性質及び高い使用温度により好ましいが、例えばシリコ
ン、ネオプレンまたはニトリルゴム等の他の材料を使用
することも可能である。例えばＫＥＶＬＡＲ（登録商標
）のようなポリアラミド繊維及びその織成物もまたデュ
ポン社より入手可能であり、高い破断強度と高い引っ張
り強度を有しているので本発明において好ましい強化繊
維である。しかしながら、具らファイト、ガラスファイ
バ等の他の繊維も使用可能である。
【００２１】エラストマは、適当な溶剤に溶解されるが
、この場合溶液中にいかなるエラストマ沈澱物または非
溶解性高重合体を含んでいてはならない。エラストマ材
料は、例えばトルエン（メチルベンゼン）または２ーブ
タノン（メチルエチルケトン）等の芳香族アルキル溶剤
（ａｌｋｙｌ　ａｒｏｍａｔｉｃ　ｓｏｌｖｅｎｔ）等
の適当な溶剤により溶解されて（約８０乃至９９容量％
）、約９０乃至約９５容量％のエラストマ溶液を形成す
る。溶剤は二つの機能を行う。その機能は、フッ化エラ
ストマを溶解させて含浸可能とすること及び繊維から残
留物を除去することである。
【００２２】一般に、フッ化エラストマ溶液は繊維に塗
布される。繊維は繊維の織成体として形成される。この
特定の用途において、各織成体は６０００の繊維で構成
される。一般に、使用される繊維織布は、１インチ当た
り１０乃至１５の織成体を重合方向及び充填方向に有し
ている。フッ化エラストマ溶液は種々の方法で織布に塗
布される。例えば、フッ化エラストマ溶液は刷毛を用い
て織布に塗布することが出来、また直列に配置されたロ
ーラにより織布を溶液中を通過させてフッ化エラストマ
溶液を織布に塗布することも出来る。
【００２３】ポリアラミド繊維がフッ化エラストマによ
って完全に含浸されると、溶剤が従来より周知の方法で
蒸発される。溶剤は、揮発温度（フッ化エラストマの硬
化温度よりも低い温度）で揮発されるか、または室温で
長時間かけて蒸発される。硬化処理中の溶剤の気化を防
止するために、複合材成形型を形成する以前にフッ化エ
ラストマから全ての溶剤を蒸発させることが必要である
。
【００２４】モデルまたはパターンは所望の最終製品の
形状に一致するように形成される。含浸された繊維は、
そのモデルまたはパターンに重合される。モデルまたは
パターン上に含浸された繊維の重合物を装着した後に詳
細構造部分を強化するために付加的な強化材が加えられ
る。真空バッグが、次いでエラストマ層を圧縮して詳細
構造の周囲の構造を正確に形成するために使用される。 圧縮後に、重合物が硬化されて工具が形成される。硬化
処理は二つの段階で行われる。即ち、硬化と後硬化であ
る。硬化処理は通常オートクレーブ中で３００乃至４０
０゜Ｆの温度と１００乃至２００ｐｓｉの圧力で約３乃
至５時間行われる。また、後硬化は、一般に約４００乃
至５００゜Ｆの温度で、大気圧で拘束しない状態で約８
乃至１０時間行われる。
【００２５】使用前に、複合材成形型は、成形される材
料の張り付きを防止するための処理が施される。例えば
、ミラー　　スチーブンソン　　カンパニー（コネチカ
ット州ダンバリー）より入手可能なＭＳ−１４２等の離
形材が、複合材成形型に塗布され、３５０゜Ｆで約２時
間焼成される。
【００２６】この複合材成形型は容易に且つ安価に複製
することが可能であり、生産性の向上に寄与する。
【００２７】変形可能な成形型の指示は、背面プレート
１６によって行われ、この背面プレートと同時に二つの
成形型をクランプするクランプ１８が用いられる。
【００２８】変形可能な成形型１４のベース部にはパイ
プ状の延長部１９が形成され、この延長部は、変形可能
な成形型の剛性を変化させるために変形可能な成形型の
背面に圧力を伝達する流動性媒体を収容するリザーバ２
０として機能する。本実施例においては流動性媒体とし
て、ダウ　　コーニング社（マイアミ州ミッドランド）
より入手可能なＸ５−８０２３可圧縮シリコンゴムが、
出願人が所有する１９８６年２月１３日付け出願のアメ
リカ特許出願第２０１，３４５号の「固相、流動性重合
体媒体を使用する成形方法及び装置」に開示された要領
で使用される。流体圧を発生する如何なる物質も変形可
能な成形型の支持に使用することが出来る。例えば、使
用可能な流体は、オイル、水力流体、ガス等である。
【００２９】不活性エラストマで形成されたダイヤフラ
ム２６は、リザーバ２０と外部の負圧または圧力供給源
に接続された圧力室２４の間に配設される。ダイヤフラ
ムは、好ましくはシリコンゴムで形成される。しかしな
がら、このダイヤフラムは、例えばネオプレン、ニトリ
ルゴム等の他の材料で形成することも可能である。圧力
室に導入された圧力は、ダイヤフラムを変形させて変形
可能な成形型背面の流動性媒体を加圧する。一方、圧力
室に導入された負圧は、ダイヤフラムを反転させ、変形
可能な成形型から流動性媒体を引くので、変形可能な成
形型は収縮して成形された製品から離れる。他の材料が
変形可能な成形型を支持するために使用された場合、上
記のダイヤフラムは不要となる。
【００３０】図３、図４及び図５に示すように、成形開
始時点において、強化材の装着の前に、変形可能な成形
型１４中の流動性媒体２２が僅かに加圧され、変形可能
な成形型にいくらかの剛性を付与して形状を保持する。 製品の剛性リブ２８及び折り返しフランジ３０の装着は
、変形可能な成形型１４にスロット３２及び側部３４を
開放することによって容易となり、また、繊維強化材の
挿入も容易となる。変形可能な成形型の剛性は、強化材
繊維シートの装着を容易とするために、背面の流動性媒
体の圧力を増加させることで増加される。
【００３１】図６に示すように、装着作業が終了すると
、剛性成形型１２と変形可能な成形型１４が閉塞される
。強化材の余分のかさ３６は変形可能な成形型１４によ
って吸収される。成形型が閉塞されると、樹脂が成形キ
ャビティにゲート１７を介して射出され、強化繊維を膨
潤する。変形可能な成形型背面の圧力は、成形過程に併
せて連続的に変化される。本発明の特徴は、変形可能な
成形型を支持する圧力が、実質的に加圧された樹脂の圧
力と同一となることである。これによって、圧力差は、
最小となり、変形可能な成形型は所望の形状を越えて膨
張することがなくまた、変形可能な成形型が樹脂の圧力
によって歪むこともない。
【００３２】熱及び圧力が周知の要領で加えられて、予
め含浸された織布を硬化させて、複合材製品を形成する
。この硬化工程において、流動性媒体の熱遮断性の属性
によって、剛性成形型１２に与えられる熱を製品内に蓄
積し、従来の金属製成形型の熱の放散を防止する。
【００３３】図７、図８に示すように、負圧または加圧
状態での樹脂の射出を行うために、必要となるＯリング
３８によるシールが、変形可能な成形型の一部として容
易に成形することが出来、一つのシール面及び発生する
可能性のある漏れを確実に防止することが出来る。
【００３４】図９に示すように、従来技術においてはロ
ック状態となる硬化した製品１０は、圧力室２４に負圧
を導入してダイヤフラム２６を反転させ、流動性媒体２
２をリザーバ２２に引き込み、変形可能な成形型を収縮
させることによって複雑な形状の製品をも容易に取り出
すことが出来るものとなる。
【００３５】図１０は、本発明の半剛性成形型の変形例
を示している。熱可塑性使い捨て等ライナが、例えばＡ
ＢＳ樹脂等の熱によって可撓性となる樹脂で形成され、
エラストマ材料に置換される。この方法において、リザ
ーバは流動性媒体を変形可能な成形型内部より完全に吸
引するために十分な大きさを有しており、成形作業の合
間にライナを交換することが出来るようにしている。
【００３６】理想的には、最大の生産性を得るために、
強化材の装着は一つの成形型の複製に対して行われ、そ
の間に他の製品の硬化を行うようにする。半剛性の成形
型の複製化は、金属製成形型において必要となる高価な
機械加工に較べて格段に簡単で、安価となる。
【００３７】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない如何なる
変形、変更をも包含するものである。
【００３８】
【発明の効果】上記のように本発明によれば、複合材の
重合物のかさ変化に対して許容性が大きく、繊維製プリ
フォーム材料装着後の剛性成形型と変形可能な成形型の
閉塞を容易とする成形方法を提供することが出来る。ま
た、本発明によれば、成形される製品に一体に形成され
る詳細部の位置を正確にすることが出来る成形方法を提
供することが可能となる。
【００３９】さらに、本発明によれば、硬化後に廃棄す
ることが可能な複雑な形状の成形型を提供することがで
き、さらに、高い生産性及び低いコストで高強度複合材
製品を成形することが出来る方法を提供することが出来
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】折り返しフランジを有する製品の成形に必要と
なる従来技術による装置の断面図である。
【図２】本発明による剛性成形型及び変形可能な成形型
の組立状態の断面図である。
【図３】強化材の挿入を容易とする変形可能な成形型の
性能を示す断面図である。
【図４】折り返しフランジに繊維強化材の挿入要領を示
す断面図である。
【図５】詳細部の溝に繊維強化材を装着する要領を示す
断面図である。
【図６】成形型の閉塞を容易とする為に強化材のかさを
変形可能な成形型によって吸収した状態を示す断面図で
ある。
【図７】Ｏリングを一体形成した変形可能な成形型の断
面図である。
【図８】図７の一体形成されたＯリングによる閉塞状態
を示す断面図である。
【図９】成形された製品の取り出しを容易とするために
変形可能な成形型を収縮させた状態を示す断面図である
。
【図１０】変形可能な成形型中の使い捨て熱可塑性ライ
ナの断面図である。
【符号の説明】
１２　　剛性成形型 １４　　変形可能な成形型 ２０　　リザーバ ２２　　流動性媒体 ２４　　圧力室 ２６　　ダイヤフラム

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　一方がエラストマ層を含み変形可能で
    かつ剛性可変で、成形する製品の形状に実質的に一致す
    るように構成され、成形する複合材製品の表面形状を規
    定する成形面を有する二つの成形型と、及び複合材製品
    の装着、成形及び取り出しを容易とするために前記変形
    可能な成形型を支持するために流体圧を伝達する手段と
    によって構成したことを特徴とする複合材製品を成形す
    るためのトランスファ成形装置。
  2. 【請求項２】　　前記エラストマ層は、一体に成形され
    る剛性強化または補強詳細部を正確に配置する手段を有
    している請求項１の装置。
  3. 【請求項３】　　前記エラストマ層は、フッ化エラスト
    マを含浸させたポリアラミド繊維で形成される請求項１
    の装置。
  4. 【請求項４】　　前記変形可能な成形型を支持するため
    に圧力を伝達する手段は、前記変形可能な成形型背面に
    設けた流動性重合体と前記媒体に外部圧力源からの圧力
    を伝達するダイヤフラムと、前記変形可能な成形型を非
    剛性とした時に前記流動性媒体を収容するリザーバで構
    成した請求項１の装置。
  5. 【請求項５】　　前記変形可能な成形型は、一体に成形
    されたＯリングシールを有している請求項１の装置。
  6. 【請求項６】　　背面の流動性媒体の圧力の負荷により
    剛性を変化させることが可能な変形可能な成形型を有し
    、該成形型が硬化作業中に加熱されて可撓性となり、成
    形及び硬化後の複雑な複合材製品の成形型からの取り出
    しを容易とする樹脂のトランスファ成形装置。
  7. 【請求項７】　　使い捨ての熱可塑性ライナで構成され
    、該ライナが硬化処理中に加熱されて可撓性となり、硬
    化処理後に剥離可能である樹脂のトランスファ成形装置
    。
  8. 【請求項８】　　流動性媒体による背面への圧力負荷に
    よって剛性を変化させる変形可能な成形型を有する成形
    装置を使用して複合材製品をトランスファ成形する方法
    であって、強化材を装着する前に、前記変形可能な成形
    型の背面に圧力を導入して前記変形可能な成形型を半剛
    性状態とし、剛性成形型を前記変形可能な成形型に嵌合
    させて成形型を閉塞し、前記変形可能な成形型背面の圧
    力を増加させて樹脂成形処理に必要な剛性を前記変形可
    能な成形型に付与し、製品の硬化後に前記変形可能な成
    形型背面の圧力を減少させて、成形型からの製品の取り
    出しを容易とするようにしたことを特徴とするトランス
    ファ成形方法。
  9. 【請求項９】　　複合材製品は一体に成形された強化材
    を有し、前記強化材は、成形型閉塞前に前記変形可能な
    成形型に装着される請求項８の方法。
  10. 【請求項１０】　　樹脂成形処理中において変形可能な
    成形型を支持する圧力は、実質的に樹脂の射出圧力に等
    しい請求項８の方法。
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