JPH02198815A - 繊維強化複合製品の製造方法 - Google Patents

繊維強化複合製品の製造方法

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JPH02198815A
JPH02198815A JP1298748A JP29874889A JPH02198815A JP H02198815 A JPH02198815 A JP H02198815A JP 1298748 A JP1298748 A JP 1298748A JP 29874889 A JP29874889 A JP 29874889A JP H02198815 A JPH02198815 A JP H02198815A
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fabric
reinforced composite
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plies
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Richard T Reavely
リチャード・ティー・リーバリー
Wonsub Kim
ウォンスブ・キム
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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】 ［発明の目的コ 〈産業上の利用分野〉 本発明は、複合製品を樹脂トランスファ成形するための
方法に関する。
〈従来の技術〉 樹脂トランスファ成形（ＲＤＭ）は、繊維強化複合製品
を製造するために使用される製法である。
この製法は、繊維予備成形品を最終製品の形状に製造し
、かつ該予備成形品に熱硬化性樹脂を含浸するという２
つの基本的な過程を含んでいる。このようにして製造さ
れた繊維強化複合製品は高強度かつ軽量という特徴を発
揮する。このような複合製品は、一般に航空産業や軽量
かつ高強度材料を必要とする他の用途に使用されている
。
ＲＴＭ製法に於ける第１過程は、繊維予備成形品を所望
の製品の形状に製造することである。−般に、予備成形
品は最終製品に所望の強化特性を付与する複数の布プラ
イからなる。例えば、布プライは黒鉛繊維またはケブラ
ー（ＫＩＥＶＬＡＲ）　　（登録商標）繊維で構成され
る。予備成形品を製造するためにはいくつかのステップ
が必要である。実際に必要な各ステップ及びそれらを実
行する最適順序は予備成形品の形状によって変化する。
所望の予備成形品が製造される限り、いかなる連続ステ
ップをいかなる論理的順序で実行しても良い。−般に、
予備成形品を形成するために使用される技術は衣類産業
からの転用である。例えば、布プライは所定のパターン
に従って切断され、所望の形状を有するマンドレル上に
積み上げられ、かつ緩かに接着されまたは安定化される
ことによってマンドレルから取り外した後に所望の形状
を維持する。
繊維予備成形品は、−旦製造されるとＲＴＭ製法に於け
る第２過程のためにトランスファ成形型内に配置される
。この型を閉じ、かつ米国ミシガン州ミドランドに所在
するダウケミカル社のタフティクス（Ｔａｃｔｉｘ）　
１２３／Ｈ４１（登録商標）のような一般にエポキシ樹
脂等の樹脂を加圧下で射出して予備成形品を湿潤させる
。この樹脂は、当初予備成形品に完全に含浸し得るよう
に水と略同じ粘性を有する。次に、型の温度を高くして
樹脂の粘性を高くし、最終的に固化させる。最終的な繊
維強化複合製品は、一般に約５０容積％乃至６０容積％
の繊維を有する。一般に、高性能の航空宇宙用複合製品
は約５５容積％乃至６０容積％の繊維を有する。
ＲＴＭ製法に於ける重要なステップの１つは、予備成形
品を成形型内に配置する前に安定化させることである。
安定化は、布プライが樹脂で含浸されるまで所望の形状
及び配向を維持することを確保するために必要である。
また、安定化によって布プライが切断縁部に沿って解け
るのを防止する。安定化ステップを最適化するために多
大の開発努力が費されている。予備成形品を安定化させ
るために利用されている最も一般的な方法は、ステッチ
加工及び高温アイロンのタック加工である。
これらの方法は共に労働及び時間集約的である。
ステッチ加工は予備成形品を安定化させる非常に効果的
な手段であるが、布プライがマンドレル上に積上げられ
た後に行うことは困難である。更に、ステッチ加工は、
布プライを固くし過ぎて容易に曲らないようにするので
、予備成形品を複雑な形状に製造することが困難になる
。従って、ステッチ加工は複雑な形状を有する予備成形
品を安定化させる方法として適当ではない。
タック加工は、複雑な形状を有する予備成形品の製造に
対してより効果的である。しかしながら、予備成形品が
多くの布プライを有する場合には、ステッチ加工より一
層労働集約的でありかつ多くの時間が必要である。熱可
塑性ポリマを各布プライ間に配置して高温アイロンで溶
融させる。このポリマが再凝固して布プライを一体的に
結合するようになっている。タック加工は、熱伝達が伝
導によってのみ行われるので１個の布プライを１度にす
る必要がある。１個の布プライを１度にタック加工する
ことは、多くの強化繊維の熱伝導性が低いことから比較
的時間のかかる方法である。このような技術は、モア（
Ｍｏｒｅ）等の米国特許第４゜４７０．８６２号明細書
に開示されている。
上述したように、この技術分野では労力の少ない時間集
約的なＲＴＭ予備成形品安定化方法を開発するために努
力が続けられている。
〈発明が解決しようどする課題〉 本発明の目的は、上述の諸問題を解決して最小の労力及
び時間でＲＴＭ予備成形品を安定化させる方法を提供す
ることにある。
［発明の構成］ く課題を解決するための手段〉 本発明は、樹脂トランスファ成形法による繊維強化複合
製品の製造方法である。この方法は、複数の乾燥布プラ
イを積層する過程と、該プライを所望の形状に形成する
過程と、前記プライを安定化させて乾燥繊維予備成形品
を形成する過程とを含む。次に、安定化させた乾燥繊維
予備成形品を樹脂トランスファ成形手段内に配置する。
熱硬化性樹脂を加圧下で樹脂トランスファ成形手段内に
射出し、安定繊維予備成形品に含浸させる。次に、成形
手段を加熱して熱硬化性樹脂を硬化させ、繊維強化製品
を形成する。本発明によって加えられた改良点は、隣接
する布プライに高分子結合材を配置し、かつ加熱空気流
を余有プライに向けて流通させることによって前記結合
材を溶融させて布プライを一体的に結合し、安定化した
乾燥繊維予備成形品を形成するようにしたことである。
本発明の上述した及び他の特徴及び利点は、添付図面を
参照しつつ以下の詳細な説明から容易に理解することが
できる。
〈実施例〉 ＲＴＭ製法に於て使用される予備成形品は、緩く一体的
に結合された複数の布プライからなる。
予備成形品を形成するために使用される繊維は、最終製
品に所望の強化特性を付与するような繊維からなる。例
えば、最終製品に高い比強度が要求される場合には、強
化繊維は黒鉛繊維、ケブラーポリアミド繊維（米国プラ
ウエア州つィルミングトン、Ｅ、　　Ｉ、デュポン拳デ
ヌムール（ＤｕｐｏｎＬ　ＤｅＮｅｍｏｕｒｓ）　）ま
たはガラス繊維である。要求される強化の程度によって
、予備成形品は一般に約２から約１２のプライを有する
。しかしながら、この製法によれば、繊維ウィーブの密
度に従って５０個までのプライを充分に安定化させるこ
とができる。
布プライは緩く一体結合される、即ち隣接する布プライ
間に配置される高分子結合材によって安定化される。高
分子結合材としては、後述するような量で存在する場合
には、後でＲＴＭ法に於て使用される熱硬化性樹脂に適
合するような様々な重合体が使用される。ポリマ結合材
は熱硬化性または熱可塑性を有する。結合材の選択は、
後で噴射される主マトリックスとの適合性、操作上の有
効性、製造環境の制御、及び最終製品の性能等によって
決定される。熱硬化性材料を予備成形品結合材料として
使用できるにも拘らず、熱可塑性材料が好まれるのは単
純にそれらが操作、］二便利だからである。本発明に使
用される好適な熱可塑性重合体にはナイロン、ポリエー
テルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリフェニレン
サルファイド（Ｐ　Ｐ　Ｓ）がある。一般的な用途に最
も効果的な熱可塑性重合体は、比較的低い融点を有する
ことからナイロンである。
高分子結合材は小さい粒状または薄い繊維の形状を有す
る。小粒状のものは、薄い繊維を使用した場合よりも、
予備成形品を安定化させるために使用される熱可塑性結
合材の量をより容易に制御できることから好ましい。一
般的な粒の寸法は、直径が約１００乃至約４００ミクロ
ンである。布プライ間に重合体を配置する好適な方法は
、その一方の面に接着された重合体を有する布を使用す
ることである。米国マサチューセッツ州チコビーに所在
するフェースメイト争コーポレイション（Ｐａｃｅｓａ
ｔｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）では粒状物を所望の布
に塗布している。
布プライを安定化させるために使用される熱可塑性重合
体の量は、熱可塑性結合材が認識できるような逆の効果
を熱硬化性樹脂の特性に与えない程度に少くなければな
らない。しかしながら、布プライ間に配置される結合材
の量は、予備成形品を安定化させるように充分でなけれ
ばならない。
結合材は、隣接する各布プライ対当り約５ｇ／ｒｔｆ乃
至約６０ｇ／ｒｄの濃度になるのが好ましい。この範囲
内に結合材の量を制限することによって、認識できる程
度の逆の影響を最終製品の特性に与えることなく、予備
成形品を安定させる際に於ける幾分矛盾する目的の均衡
を図ることができる。
結合材が隣接する各布プライ対間に配置される熱可塑性
重合体について約５ｇ／ｒｒｒ乃至約２０％以上の間の
濃度にすると最も好ましい。
予備成形品を形成するために、布プライが所望の繊維配
向を達成するように互いに上下に積み重ねられる。布プ
ライは平面上または所望の最終製品の形状に適合するマ
ンドレル上に積み上げられる。布プライは、積み上げを
容易にする所望のパターンに従って切断される。結合材
と繊維とが一体的に接着されない場合には、この積み上
げステップに於て隣接する布プライ間に結合材が配置さ
れる。一般に、後者の場合にはフェルト状または粉状の
結合剤が使用される。
布プライを積み上げる平面またはマンドレルの成形面は
、一般に多孔性で多数の孔または格子等を有する。この
ようなマンドレル１０が第１図に示されている。孔１２
によって、熱可塑性重合体を溶融させるために使用され
る高温の空気を布プライに向けて容易に流通させること
ができる。−般に、孔が占める面積は、マンドレル１０
上の平面の全面積の約２０％以上である。布プライを積
み上げるために使用される成形面は、所望の形状に形成
することができかつ所望の寸法の孔を容易に穿設し得る
材料で製造される。別の実施例では、成形面を多孔性に
することができる。更に、成形面は高温空気流に暴露さ
れた後もその形状及び構造を維持できなければならない
。例えば、成形面は、アルミニウムまたは類似の軽量金
属またはプラスチック材料で製造される。成る用途につ
いては、成形手段の表面だけを多孔性にすることが必要
である。例えば、プラスチック結合材の溶融温度が低い
場合には、布または布フェルトのような多孔質材料の層
でマンドレルを覆うことができる。
前記成形手段には真空能力を備えることができる。穿孔
面の背後の真空圧力は３つの非常に重要な機能を発揮す
る。第１に、布プライを積み上げる過程に於て、最終的
な予備成形品の安定化のために高温空気が作用するまで
、真空によって布プライを一時的に所定位置に維持する
ことができる。
第２に、真空を用いて高温空気の積層体への流通を促進
することができる。従って、アプリケータから予備成形
品積層体を通り、かつ成形面の孔を通って真空空間まで
至る高温空気通路が形成される。第３に、高温空気を作
用させて結合材を溶融させた後に、真空圧を用いて布プ
ライを通して室内の冷たい空気を吸引し、溶融プラスチ
ック結合材を急速に固化させることができる。プライ結
合材の急速な固化によって、予備成形品の密度が高めら
れ、かつ生産率が向上する。
成形手段には、高温空気流と反対向きに冷空気または冷
気を吹き出させる能力を備えることができ、それによっ
て予備成形品の密度をより高（することが容易になる。
高温空気を噴射することによってプライ結合材が充分に
溶融すると、高温空気の供給を停止して冷空気または冷
気を孔から成形面上に吹き付けて積層体の中を流通させ
る。冷空気を作用させる間、圧力を維持すべきである。
この方法によってより高密度の予備成形品が得られる。
布プライは、穿孔された平坦面またはマンドレル上に積
み」二げられた後に、加圧高温空気によって安定化され
る。高温空気によって布プライ間に配置された結合材が
溶融し、前記プライを一体的に結合させる。
高温空気の温度は、布プライ間に配置される結合材の型
式、前記重合体が溶融する速度、及び予備成形品の積層
の厚さの関数である。例えば、約８個の布プライの間に
ナイロン１２が配置された場合には、約１０４℃（２２
０’Ｆ）乃至約２０４℃（４００’Ｆ）の温度の空気に
よって全ての重合体は約５秒間で実質的に溶融する。高
温空気は、全ての布プライに同時に浸透し得るような充
分な圧力で供給される。例えば、予備成形品が約９個以
上の布プライからなる場合には、空気圧は０゜３５ｋｇ
／ｃＪ　（５ｐ　ｓ　ｉ　）乃至０．　７ｋｇ／ｃシ（
１０ｐｓｉ）の範囲内が好ましい。高温空気は、成形手
段に接触する全ての布層の間に配置された重合体を溶融
させる充分な時間に亘って布プライに供給される。重合
体を溶融させるために必要な時間は、予備成形品の布プ
ライの数、使用される重合体及び空気の温度によって決
定される。高温空気は、予備成形品全体または局部的な
部分を安定化させるために様々な位置から布プライに供
給される。
第２図及び第３図に示されるような手段を用いて、同時
に高温空気を布プライに供給しかつ該プライを一体的に
加圧することができる。これらの手段は、ガラス繊維ま
たはセラミックのような硬質低熱伝導性材料で製造され
るボディ１４を有する。ボディ１４は、低熱伝導性であ
ることによって、それ自体に空気流に含まれる熱が吸収
されることを防止する。ハンドル１６によって、前記手
段を持ち上げかつ適当な向きに動かすことができる。空
気供給接続部１８によって前記手段が空気供給ホースに
接続されている。ボディ１０は、加圧高温空気を布プラ
イに供給するために使用される多数の孔２０を有する。
第２図に示されるように平坦な面を有する手段を用いて
予備成形品の大きな部分を早く安定化させることができ
る。第３図に示されるような狭い端部を有する手段を用
いて、予備成形品の隅部及び折目部分を安定化させるこ
とができる。添付図面には、安定化手段について２つの
特定の形状が示されているが、高温空気を布プライに供
給することができるものであれば、様々な形状のものを
使用することができる。
例えば、高温空気銃を用いて結合材を有する布プライを
一体的にタック加工することができる。
実施例１ 第１図に示されるマンドレルの形状を有する黒鉛繊維強
化複合製品は次のようにして製造される。
先ず、乾燥繊維予備成形品を形成する。一方の面に小粒
状のナイロンを分散させた黒鉛繊維の布からなる４個の
プライを所定のパターンに従って切断する。これら布プ
ライを穿孔した平坦面上に順に積み重ね、かつ第２図に
示される平坦な高温空気噴射手段を用いて高温空気を繊
維積層体に噴射する。１４９℃（３００°Ｆ）の空気を
５秒間噴射して各層を結合させる。次に、第３図に示さ
れるような手段を用いて第１図示のマンドレル上の隅部
に対応する折目線を平坦な積層体に形成する。
第４図には、予備成形積層体２６上に角の線をつけるた
めの実施例である。第４図に於けるｒＶＪ溝２３は、様
々な厚さの積層体を受は入れることができるように設計
される。更に、結合されかつ折目をつけられた繊維積層
体は第１図示の形成マンドレルに移され、かつ次に継目
を結合して操作を完了する。
以上本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細
に説明したが、当業者にとって明らかなように、本発明
はその技術的範囲内に於て上述した実施例に様々な変形
・変更を加えて実施することができる。
［発明の効果］ この高温空気を用いてＲＴＭ法に使用される予備成形品
を安定化させることによって、従来手段と比較して必要
な労力及び時間が大幅に減少する。
ＲＴＭ予備成形品を安定化させるために必要な労力及び
時間を減少させることによって、ＲＴＭを繊維強化複合
製品を製造する実用的な手段にすることができる。これ
は特に複雑な形状を有する繊維強化製品について適して
いる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、予備成形品を形成するために使用される有孔
マンドレルを示す一部切欠斜視図である。 第２図は、布プライ間に配置された重合体を溶融させて
予備成形品を安定化させるために該予備成形品に高温空
気を吹き付けるために使用する手段を示す斜視図である
。 第３図は、予備成形品に高温空気を吹き付けるために使
用される別の手段を示す斜視図である。 第４図は、第３図示の手段を用いて繊維予備成形品に折
目をつける様子を示す概略斜視図である。 １０・・・マンドレル　　１２・・・孔１４・・・ボデ
ィ　　　　１６・・・ハンドル１８・・・空気供給接続
部２０・・・孔２３・・・Ｖ溝　　　　　２６・・・積
層体特許出願人　　　ユナイテッドφテクノロジー・イ
ンコーホレイテッド 代理人　　弁理士　大　島　陽　−

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）複数の乾燥布プライを積層する過程と、前記布プ
    ライを所望の形状に成形する過程と、前記布プライを安
    定化させて乾燥繊維予備成形品を形成する過程と、安定
    化乾燥繊維予備成形品を樹脂トランスファ成形手段内に
    配置する過程と、熱硬化性樹脂を加圧下で前記樹脂トラ
    ンスファ成形手段内に射出して該熱硬化性樹脂を前記繊
    維予備成形品に含浸する過程と、前記安定化繊維予備成
    形品及び熱硬化性樹脂を加熱して前記熱硬化性樹脂を硬
    化させかつ繊維強化製品を形成する過程とからなる繊維
    強化複合製品の製造方法であって、隣接する前記乾燥布
    プライ間に高分子結合材を配置する過程と、前記乾燥布
    プライを一体的に結合させるべく前記結合材を溶融させ
    得る加熱空気流を前記乾燥布プライに向けて安定化乾燥
    繊維予備成形品を形成する過程とを有することを特徴と
    する繊維強化複合製品の製造方法。
  2. （２）前記布プライが黒鉛繊維であることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の繊維強化複合製品の製造
    方法。
  3. （３）前記布プライがアラミド繊維であることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載の繊維強化複合製品の
    製造方法。
  4. （４）前記布プライがガラス繊維であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載の繊維強化複合製品製造
    方法。
  5. （５）前記結合材が、粉粒または繊維フェルトの形態で
    前記隣接布プライ間に分散されることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項に記載の繊維強化複合製品の製造方法
    。
  6. （６）１ｍ＾２の布面に約５ｇ乃至約６０ｇの結合材が
    使用されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
    載の繊維強化複合製品の製造方法。
  7. （７）前記熱硬化性樹脂がナイロンであることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載の繊維強化複合製品の
    製造方法。
  8. （８）前記熱硬化性樹脂がポリエーテルエーテルケトン
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
    繊維強化複合製品の製造方法。
  9. （９）前記布プライに向けられる前記空気が、約１２１
    ℃（２５０°Ｆ）と２０４℃（４００°Ｆ）との間で加
    熱されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
    の繊維強化複合製品の製造方法。
  10. （１０）前記空気が、低熱伝導材料で製造されたボディ
    と、空気供給接続部と、前記布プライに向けて前記空気
    を流通させるための複数の孔とを有する手段によって前
    記布プライに向けられることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項に記載の繊維強化複合製品の製造方法。
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