JP5252434B2 - 熱可塑性樹脂複合積層のための秀れた製造プロセス - Google Patents

Description

本発明は、可塑性樹脂材料の製造プロセスに関し、特に熱可塑性樹脂複合積層のための秀れた製造プロセスに関する。

一定の厚さの熱可塑性樹脂複合（“ＴＰＣ”）積層の製造のための多数のプロセスが存在する。プレス成形、型押し、オートクレーブ成形のような非連続的なプロセスに加えて、押出し、プルトルージョン、ロール成形、圧縮成形のような連続的なプロセスが存在する。これらの後者のプロセスは連続した長さの部材を製造できるが、これらは軽量の航空宇宙構造または、重量が特に重要性をもつ他の構造で必要とされる可変の厚さの部分を製造する能力に欠けている。

【０００３】
したがって、連続的なプロセスで調整された厚さを有する複雑な熱可塑性樹脂複合積層を製造することができる新しい方法を提供する必要がある。このような方法は廉価な方法であるべきであり、可能な場合には自動的な装置を利用できることが好ましい。
【発明の開示】
【発明の要約】

発明の要約

本発明の開示は連続的なプロセスで調節された可変の厚さの複雑な熱可塑性樹脂複合積層を製造する革新的な方法を提供する。この革新的なプロセスは部材又はコンポーネントを多層積層体へ形成するために自動化された装置またはハンドレイアップを使用する。各積層体は方向及び位置を維持するために適切な位置に取付けられているプライ成長領域を含んでいる全てのプライを含んでいる。合体工具（tooling）は全ての必要な部材の特徴を含んでおり、これらの多数のプライの積層体から異なる厚さの領域を潜在的に有する単一の一体化された複合積層を形成するためにカスタム化された多数のプライの積層体に対して整合される。

前述の方法により形成された複合積層は例えば自動車および航空宇宙応用を含めた広範囲の種々の応用において使用が見出されることができる。本発明の開示により形成された複合部の１例は商用航空機における構造強化部材として使用するのに理想的である。
本発明の特徴とする方法は特許請求の範囲の請求項１乃至１５に記載されているが、その実施形態を例示すれば以下のとおりである。
前記不均一な厚さの多数のプライの積層体の熱可塑性樹脂材料の前記複数のプライの少なくとも２つは部分的なプライを含み、前記少なくとも２つの前記部分的なプライの２つはそれらの間のポケットを規定している請求項１記載の方法。
請求項１０記載の方法により形成される熱可塑性樹脂複合積層の床桁。
請求項１記載の方法により形成される熱可塑性樹脂の複合積層。
請求項２記載の方法により形成される熱可塑性樹脂の複合積層。
請求項１２記載の方法により形成される熱可塑性樹脂の複合積層。
連続的なプロセスで調整された可変の厚さを有する熱可塑性樹脂複合積層の製造方法において、
熱可塑性樹脂材料の複数の積層されたプライを具備する少なくとも１つの多層のプライ積層体を生成し、前記少なくとも１つの多数のプライ積層体は不均一な厚さの多層のプライ積層体と均一な厚さの多層のプライ積層体からなるグループから選択され、
少なくとも１つの仮留めされた多層のプライ積層体を形成するために前記多層のプライ積層体を仮留めし、
前記仮留めされた積層体の１つを予備成形ゾーンと合体ゾーンとを有する合体装置へ導入し、
少なくとも他の前記仮留めされた多層のプライ積層体と熱可塑性樹脂材料の少なくとも１つのプライからなるグループから選択された第１の材料を形成し、
前記第１の材料を前記合体装置へ導入し、
前記１つの仮留めされた多層のプライ積層体と前記第１の材料から前記予備成形ゾーン内において予備成形された部材を形成し、
前記予備成形された部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために合体させるステップを含んでいる方法。
合体装置へ前記仮留めされた積層体の１つと前記第１の材料とを導入し、前記予備成形ゾーン内で前記予備成形された部材を形成するステップは、
１対のチャンネルと少なくとも１つの側面加工部材を有する合体装置の予備成形ゾーンを設け、チャンネルの前記各対は１対の外側部分との間に結合された中央部分を有し、前記チャンネルの前記中央部分間にギャップが規定され、
１対のチャンネルの間の前記ギャップ内に少なくとも１つの前記仮留めされた積層体を導入し、
前記第１の材料の少なくとも１つを前記少なくとも１つの側面加圧部材の１つと前記チャンネルの前記１対の外側部分の１つとの間に導入し、前記第１の材料の前記１つの材料は実質的に前記仮留めされた積層体の１端部に接触し、
予備成形部材を形成するために前記少なくとも１つの仮留めされた積層体を前記第１の材料の少なくとも１つへ結合するのに十分な第１の温度に前記予備成形ゾーンを加熱するステップを含んでおり、前記第１の温度は前記少なくとも１つの第１の材料で前記少なくとも１つの仮留めされた積層体のマトリックス樹脂コンポーネントの自由流動温度よりも低い温度である上記方法。
前記予備成形部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために合体させるステップにおいて、
前記予備成形部材を合体装置の加熱ゾーンに導入し、
前記少なくとも１つの仮留めされた積層体の前記マトリックス樹脂と少なくとも１つの前記第１の材料の自由流動温度よりも高い温度である第２の温度へ前記予備成形された部材を加熱し、
前記第２の温度に加熱された前記予備成形された部材を前記加熱ゾーンから加圧ゾーンへ導入し、前記加圧ゾーンは少なくとも１つの標準的なダイスを含み、
単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために、前記予備成形部材を合体させるのに十分な圧力で前記ダイスにより前記予備成形された部材を加圧し、
前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を前記自由流動温度よりも低い温度に冷却するために前記加圧ゾーンから冷却ゾーンへ前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を導入するステップを含んでいる方法。
上記方法により形成される熱可塑性樹脂複合積層。
連続的なプロセスで調節された可変の厚さを有する熱可塑性樹脂複合積層の製造方法において、
少なくとも１つの仮留めされた多層のプライ積層体と熱可塑性樹脂材料の少なくとも１つのプライからなるグループから選択された第１の材料を形成し、各前記少なくとも１つの多層のプライ積層体は不均一な厚さの多層のプライシート積層体と均一な厚さの多層のプライシート積層体からなるグループから選択されており、
前記仮留めされた多層のプライ積層体の少なくとも１つと、前記熱可塑性樹脂材料の少なくとも１つのプライからなるグループから選択された第２の材料を形成し、
前記第１の材料と前記第２の材料を合体装置へ導入し、前記合体装置は予備成形ゾーンと合体ゾーンとを含んでおり、
前記第１の材料と前記第２の材料から前記予備成形ゾーン内において予備成形された部材を形成し、
前記予備成形された部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために合体させるステップを含んでいる方法。
上記方法により形成される熱可塑性樹脂複合積層。
熱可塑性樹脂材料の複数の積層されたプライを含む少なくとも１つの不均一な厚さの多層のプライ積層体を生成し、
少なくとも１つの不均一の厚さの仮留めされた積層体を形成するために前記不均一な厚さの多層のプライ積層体を仮留めし、
前記不均一な厚さの仮留めされた積層体の１つを予備成形ゾーンと合体ゾーンとを有する合体装置へ導入し、
少なくとも１つの仮留めされた多層のプライ積層体と熱可塑性樹脂材料の少なくとも１つのプライからなるグループから選択された第１の材料を形成し、各前記仮留めされた多層のプライ積層体はそれぞれ不均一な厚さの仮留めされた多層プライシート積層体と均一な厚さの仮留めされた多層プライシート積層体からなるグループから選択されており、
前記第１の材料を前記合体装置へ導入し、
前記１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体と前記第１の材料から前記予備成形ゾーン内において予備成形部材を形成し、
前記予備成形された部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために合体させるステップを含んでいる方法により生成される熱可塑性樹脂積層。

本発明の開示のその他の特徴、有用性及び利点は添付図面と特許請求の範囲にしたがった本発明の開示の以下の説明から明白になるであろう。

本発明の開示は連続的なプロセスで調節された可変の厚さの熱可塑性樹脂複合(“ＴＰＣ”)積層材料を形成する方法を提供する。本発明の開示は例えば航空宇宙産業を含む広範囲の種々の潜在的応用での使用を見出している。本発明の開示の好ましい方法は商用航空機の胴体の支持フレームワーク中の熱可塑性樹脂の複合強化部材を形成するのに理想的に適している。熱可塑性樹脂の複合強化部材の潜在的な例としては胴体の外皮、翼の外皮、ドアパネル、アクセスパネル、キールビーム、床桁、甲板ビームを含んでいるが、それに限定されない。例示的な目的で、本発明の開示は商用航空機の胴体で使用するための熱可塑性樹脂複合積層の床桁を成形する実施形態について説明される。

図１を参照すると、熱可塑性樹脂複合積層、ここでは調節された可変の厚さの領域ｔ１とｔ２を有する熱可塑性樹脂複合積層の床桁20は上下の端部でキャップ領域24のそれぞれの対へ結合されているウェブ区域22を有する構造として示されている。ウェブ区域22と１対のキャップ区域24は１対の熱可塑性樹脂複合充填材ナゲット26と均一な厚さの仮留めされた多層プライシート積層体74とにより１対の非均一な厚さの仮留めされた多層プライシート積層体76の対を合体させることによって単一の一体化された積層構造として形成される。均一な厚さを有するとして示されているキャップ領域24に可変の厚さの領域としても同様に設けられることができることが理解されよう。

別の変形（図示せず）では、床桁20のような熱可塑性樹脂複合積層は代わりにここで説明されたものと類似の方法で、熱可塑性樹脂複合材料30の１以上の単一のプライ（図２および３で32として示されている）、熱可塑性樹脂材料30の１以上の部分的なプライ（図３で34として示されている）、または１以上の均一又は非均一の厚さの仮留めされた多層の仮留めされた積層体74、76、及びその任意の組合せのいずれかにより１以上の均一な又は非均一な仮留めされた多層プライシート74、76を合体することにより形成されることができる。さらに、１以上の充填材ナゲット26は熱可塑性樹脂複合積層20のさらに別の変形を形成するためにその組合せで使用されることもできる。図１に示されているように熱可塑性樹脂複合床桁20を形成する方法を図２乃至６と共に以下詳細に説明する。

プライ32、34で使用される熱可塑性樹脂材料30は、硝子（ｓ型またはｅ型）または炭素繊維のような繊維コンポーネント（図３では38として示されている）により補強されることが好ましいポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”）、ポリエーテルケトンケトン（“ＰＥＫＫ”）、ポリフェニルスルホン（“ＰＰＳ”）、ポリエーテルイミド（“ＰＥＩ”）のような熱可塑性樹脂マトリックスポリマー（図３に40として示されている）を含んでいる。熱可塑性樹脂材料30の各プライ32、34内のファイバ38は特定の応用に応じて一方方向又は不均一な配向で配置されることができる。当業者が認識するように、マトリックス樹脂40内のファイバ38の相対的なタイプ、厚さ、量と、各プライ32、34で使用されるマトリックス樹脂のタイプは熱可塑性樹脂積層複合物20の価格、最終的に所望される物理的及び機械的特性を含めた種々の要因に基づいて大きく変化する可能性がある。さらに別のプライ32、34に関する一方のプライ32、34の一方方向のファイバの相対的な配向も熱可塑性樹脂複合積層20の機械的特性に影響する可能性がある。

ナゲット26は好ましくは押出し又は他のよく知られた成形プロセスによって熱可塑性樹脂材料30と適合される熱可塑性樹脂材料37から形成される。好ましくはナゲット26のマトリックス樹脂の組成42は材料30のマトリックス樹脂の組成40と同じである。さらにフィラーナゲット26は熱可塑性樹脂材料30内に含まれるファイバ38に類似するファイバ44を使用することができる。

論理フロー図（図６）とプロセス図（図２乃至５）を参照すると、図１のＴＰＣ積層床桁20を成形する方法はステップ150で熱可塑性樹脂材料36の予め成形したプライ32、34と予め成形した充填材ナゲット26をそれぞれローラー46又は他の保持装置に設けることによって開始する。

次に、ステップ160で熱可塑性樹脂材料36の多数のプライ32、34はハンドレイアップまたは自動化されたプロセスを使用して非均一な厚さ又は均一な厚さの揃っていない多層プライシート積層体58または60を形成するために所望の構造で積み重ねられる。

図２及び図３に示されているように自動化されたプロセスでは、熱可塑性樹脂材料30の複数のプライ32または34は揃った多層の不均一な厚さまたは均一な厚さの多層プライ積層体58または60を形成するためにローラー46からコンベアテーブル48へ拡げられる。ローラー46は別の隣接層32、34に関して特定の配向にそれぞれのプライ層32、34を配置するために１端部50またはコンベアテーブル48の側部52、54に沿って位置されることができる。したがって例えばプライ32全体の下部層は一方方向に延在する一方向のファイバ38を有して置かれ、次のそれぞれの上部のプライ32全体は別の方向（例えば下に位置するプライ32に関して４５または９０度で）に置かれているファイバ38を有することができる。コンベアテーブル48の上方に位置されているレーザプロジェクタ56はプライ32全体に関する局部的又は部分的なプライ34および／またはポケット36の適切な位置を確実にする。

図３は図２のプロセスによる揃っていない不均一な厚さの多層シート積層体58の１例を示している。図３は種々の全体又は部分的なプライ32、34を示しており、プライ32、34間に生成されたポケット36を含んでいる。図３は相互に関して９０度の相対的な配向で置かれている一方方向のファイバ38を有する部分的なプライ62、64も示しており、ここでは（ファイバ38が前部66から後部68に延在する）第１の配向で置かれている部分的なプライ62を示しており、一方、部分的なプライ64は（ファイバ38が側部70から側部72へ延在する）異なる配向で置かれている。勿論、示されていないが、プライは、相互に垂直（即ち０／９０配置）から相互に平行（即ち０／０配置）の範囲および(例えば０／３０方向、０／６０方向等を含めた)その間の知覚可能な角度で、相互に対して他の相対的な配向でファイバ38を有することができる。

次に、ステップ170で図２で形成された揃っていない積層体58、60の種々のプライ32、34の幾つか又は全ては均一な厚さの揃った多層プライシート積層体74または仮留めされた不均一な厚さの多層プライシート積層体76を形成するために種々の予め定められた位置で共に仮留めされる。好ましくは、積層体58、60はそれぞれの積層体74、76を形成するためにはんだごてまたは超音波溶接を使用して共に仮留めされるが、当業者に知られている熱可塑性樹脂材料の種々のプライ32、34を共に結合することで知られている他の装置も特に考察される。プライ32、34間の取付けの量及び位置は種々のプライ32、34とポケット64の数及び位置だけに限定されないがそれらを含めた多数の要素に基づく。さらに、取付け量は単一部分として輸送されることのできる実質的に一体化された仮留めされた積層体74、76を形成するのに十分でなければならない。

ステップ175で、仮留めされた積層体74、76は小さい片に切断され、または図１の床桁のような熱可塑性樹脂複合積層の形成に使用される準備が行われる。

次にステップ180で、均一又は不均一な厚さの仮留めされた積層体74、76の少なくとも一方または単一のプライ32と随意選択的に熱可塑性樹脂材料30、37の少なくとも１つの充填材ナゲット26は床桁20のような単一の一体化された熱可塑性樹脂複合積層を形成するために合体装置78で共に融着される。特に図１の熱可塑性樹脂複合積層の床桁20を形成するように設計された１つの好ましい合体装置78が以下の図４及び５に示されている。

図４及び５を参照すると、合体装置78は予備成形ゾーン80と合体ゾーン82を含んでいる。予備成形ゾーン80では、均一又は不均一な厚さの仮留めされた積層体74、76の少なくとも一方と、随意選択的に少なくとも１つの充填材ナゲット26と、不均一な厚さの仮留めされた積層体76と、均一な厚さの仮留めされた積層体74、または熱可塑性樹脂材料の単一のプライ32の組合せは連続的なプロセスで適切な配向でロードされ、予備成形部材84を成形するために上昇された温度で所望の形状に予備成形される。予備成形部材84はその後予備成形ゾーン80を出て、合体ゾーン82に入り、ここで前述の図１で説明したように床桁20のような単一の一体化された熱可塑性樹脂複合積層を形成するように合体される。予備成形された部材の成形において説明した上昇された温度部材はゴム状になり、仮留めされた積層体74、76の層の屈曲を可能にする程に十分に高い温度であるが、マトリックス樹脂40、42の高分子コンポーネントが自由に粘着性の液体のように流れる温度よりも低い温度である。

図５を参照すると、合体装置78の予備成形ゾーン80はギャップ90により分離されている中央部分88を有する１対のＵ型の加工チャンネル86と１対の側面の加工シート部材92またはマンドレル92を含んでいる。好ましくはチャンネル86と側面加工シート部材92は反復的な高い熱サイクルを処理できるステンレス鋼のような材料で形成されている。

仮留めされた積層体74、76の第１の対94はそれぞれの中央部88の間でＵ型のチャンネル86の間のギャップ90内に導入される。同時に随意選択的な充填剤ナゲット26と、付加的な仮留めされた積層体74または76又はプライ32は第１の対94の各フランジ96に沿ってそれぞれの側面加圧部材92内に導入される。図４および５に関する以下の段落の説明の目的では、不均一な厚さの仮留めされた積層体76はギャップ90間に導入された第１の対94として示されており、均一な厚さの仮留めされた積層体74はＵ型のチャンネル86の外部部分98とそれぞれの側面加圧部材92との間の位置に導入されるように示されている。さらに、プライ層32はこの説明では示されていない。図示されていないがＵ型のチャンネル86は（図１のｔ１とｔ２に対応する）特定の材料の積層の厚さの変化に整合するように設計された傾斜及びその他の特性（ここでは不均一な厚さの仮留めされた積層体76の第１の対94）を含むことができる。

仮留めされた積層体74、76及びナゲット26が合体ゾーン82の方向に予備成形ゾーン80内で移動するとき、Ｕ型のチャンネル86のいずれか一方の側面上の不均一な厚さの仮留めされた積層体76のフランジ96はＵ型のチャンネル86のそれぞれの外部部分98方向に相互から離れて熱及び圧力下で外方向に屈曲される。それ故、フランジ96はフランジ96と、それぞれ均一または不均一な厚さの仮留めされた積層体76の内面との間に位置されているナゲット26によって、均一または不均一な厚さの仮留めされた積層体76の内面に対して平坦に結合される。予備成形ゾーン80内の熱は、不均一な厚さの仮留めされた積層体76のフランジ96の変形を可能にするのに十分な高温であるが、それぞれの積層体74、76のマトリックス樹脂40、42とナゲット26の高分子成分が粘着性の液体のように自由に流動する温度よりも低い温度である。フランジ96の屈曲の開始は側面加工シート部材92内での圧搾により与えられるローラー（図示せず）のような外部成形装置からの圧力の付加と均一な厚さの取り付けられた積層体74により実現される。予備成形された部材84はそれにより合体ゾーン84への移動の準備ができる。

図４に最良に示されているように、予備成形部材84は誘導ローラー105上で合体ゾーン82の別々または接続された合体装置102に入る。合体装置102はＵ型のチャンネル86の外部表面と側面加工シート部材92と個々に結合される複数の標準化された加工ダイス104を含んでいる。合体装置102の標準化されたダイス104と、チャンネル86およびシート部材92の外部表面との間の表面のこの共通性は部材に特定で価格的に釣り合ったダイスの必要性をなくし、異なるプライ構造を有する異なる予備成形された部材間の起動時間をなくす。

合体装置102は予備成形された部材84を合体ゾーン82内で前進させ予備成形ゾーン80から離れさせるように増分的に動かす脈動装置106を有する。部材84が前進するとき、部材は最初に加熱ゾーン108に入り、その加熱ゾーン108では積層体74、76とナゲット26のマトリックス樹脂40、42の重合体成分の自由流動を可能にする温度までその部材を加熱する。次に、部材84は加圧ゾーン112方向へ移動し、そこで標準化されたダイス104は仮留めされた積層体74、76とナゲット26の種々のプライ32、34をその所望の形状と厚さに合体させる（即ちマトリックス樹脂の自由流動を可能にする）ように、床桁20のウェブ領域22と１対のキャップ領域24を形成するのに十分な予め規定された力（圧力）で集合的又は個別に加圧される。図１を参照する。絶縁体により複数の異なる温度ゾーンを有する各ダイ104が形成される。ダイ104は実際に部材84に接触しないが、Ｕ型のチャンネル86の外部表面と部材84に対向する側面加工シート部材92と接触するのではなく、Ｕ型チャンネル86の外部表面および部材84と反対側の側面加工シート部材92と接触する。したがってチャンネル86、92のそれぞれの内部表面は部材84の部分に対して圧縮される。圧縮が行われ、全てのダイス104は１つの独立した調節されたステップで圧縮する。ダイス104は開かれ、部材84は合体ゾーン102内で予備成形ゾーン80から離れるように前進する。ダイス104はその後再度閉じ、部材84の一部が異なる温度ゾーン内の力で圧縮されることを可能にする。プロセスはそれ自体、部材84が誘導ローラー105に沿って冷却ゾーン114の方向に段階的に前進されるときダイ104の各温度ゾーンにおいて反復される。

変形され成形された部材84はその後、加圧ゾーン112から分離された冷却ゾーン114に入り、ここで温度はマトリックス樹脂40、42の自由流動温度よりも低い温度にされ、融着され合体された部材は最終的な加圧された形状116で硬化させる。加圧された部材116はその後合体装置102を出て、側面シート部材92はスクラップとしてローラー120へ再度巻かれる。

図示されていないが、合体装置102は形状又は特徴を加圧された形状116にすることができる付加的な部品または装置を有することができる。

使用されることのできる１つの好ましい合体ゾーン装置102は1993年９月30日に出願されここでは「付録Ａ」に含まれている独国特許出願公開第4017978号明細書に記載されているようないわゆる連続圧縮モールド（“ＣＣＭ”）プロセスである。しかしながら、それに限定されないが押出し成形又はロール成形を含む当業者に知られている他のモールドプロセスもまた本発明の開示により予測される。

次にステップ190で、加圧された部材116はトリムされ、そうでなければ事後処理され、熱可塑性樹脂複合積層の床桁20をその所望される最終形状に形成する。ステップ200で熱可塑性樹脂複合積層の床桁20は好ましくは超音波非破壊検査技術を使用して、または熱可塑性樹脂複合積層の床桁20が正確に成形され任意の視覚的な又は他の欠陥を含まないことを確かめるための他の手段によって視覚的に検査される。検査後、ステップ210で、熱可塑性樹脂複合積層の床桁20のような積層はそのアセンブリに設置される。熱可塑性樹脂複合積層の床桁20の場合、これは航空機の胴体内に導入される。

本発明の開示を基本的にＩビーム形態を有する熱可塑性樹脂複合積層の床桁20の形成に関して説明したが、他の潜在的な形状も本発明の開示により特に予測される。これにはＬ型、Ｃ型、Ｔ型または厚さの転移が部材の任意のセクションで生じ得る平面パネル形態さえも有する熱可塑性樹脂複合積層が含まれる。これらの別の形態に成形された積層体または床桁20の他の形状はここで説明した方法と類似の方法によって、熱可塑性樹脂材料30の１以上のプライ32、熱可塑性樹脂材料30の１以上の部分的なプライ34、または１以上の均一又は不均一な厚さの仮留めされた積層体74、76及び任意のその組合せにより１以上の均一又は不均一な仮留めされた多層のプライシート74、76を合体させることにより形成される。さらに、１以上の充填剤ナゲット26もまた熱可塑性樹脂複合積層の床桁20の付加的な別のバージョンを形成するためその組合せで使用されることができる。任意のこれらの別の好ましいバリエーションを実現するために、熱可塑性樹脂複合積層の床桁20の所望される多様の厚さに整合するように予備成形ゾーン80内の加工工具に対する変更が必要である。例えば図５のＵ型のツール86は図１の床桁20のようなＩビームを形成するために特定されたものであり、ギャップ90を有する別の成形される工具86がＣ型の積層体、Ｌ型の積層体またはそれぞれのプライ層の間のテーパーを有する平面ビームの成形に使用される。Ｕ型の工具86に類似してこれらの別の工具は合体ゾーン102内の標準的なダイス104に整合された積層体74、76に接触しない領域を含んでいる。

さらに、本発明の開示は理想的には熱可塑性樹脂複合積層を形成するために使用されるが、本発明の開示は、変形された単一ステップの合体ゾーンにより、熱硬化性の積層複合物を形成するために使用される類似の装置を予測することができる。このタイプのセットアップでは、合体ゾーンの加熱及び加圧ゾーンは熱硬化性部材を形成するためマトリックス樹脂の反応又は硬化温度よりも高い温度の温度を実現し、それによって単一の加圧プロセスでその後の加圧ステップなしにその最終的な所望の形状を有する部分を実現することもできる。

したがって本発明の開示は連続的なプロセスで調整された可変の厚さを有する複雑な熱可塑性樹脂複合積層を製造するための革新的方法を提供する。この革新的なプロセスは部材又はコンポーネントを多層積層体を形成するために合体させるために自動化された装置又は手作業のレイアップを使用する。各積層体は配向方向と位置を維持するために適切な位置で仮留めされているプライ形成領域を含めた全てのプライを含むことができる。合体装置は多層積層体から複合積層を形成するための２段階の方法を使用し、この結果を実現するための全ての必要な部品の特徴を含んでいる。Ｕ型工具86のような加工工具は合体装置78の予備成形ゾーン80内で適切な形状で成形され、形成された熱可塑性樹脂複合積層の床桁20で所望される厚さのバリエーションを生み、さらに合体ゾーン82により標準的なダイスと結合するように設計される。

前述の方法により形成される複合積層は例えば自動車および航空宇宙応用を含めた広範囲の応用における使用が認められる。本発明の開示により形成される複合積層の１例は商用の航空機における熱可塑性樹脂複合積層の床桁20を含めた構造的強度部材として使用するのに理想的に適している。

【００３３】
本発明の開示を好ましい実施形態に関して説明したが、多くの変形が特に前述の教示を考慮して当業者により行われることができるので、勿論、本発明の開示はそれらに限定されないことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】

本発明の開示の好ましい実施形態により形成された熱可塑性樹脂複合積層の分解及び斜視図。 調整された多層の積層体を形成するために使用されるコンベアテーブルの斜視図。 図２で形成された調節された多層積層体の１例の斜視図。 図１の熱可塑性樹脂複合積層の形成に使用される合体装置の予備成形ゾーンおよび合体ゾーンを示す図。 図４の合体装置の予備成形ゾーンの斜視図。 図２による図１の熱可塑性樹脂複合積層を形成するための好ましい方法を示している論理フロー図。

Claims (15)

1. 連続的なプロセスで調整された可変の厚さを有する熱可塑性樹脂複合積層を製造する方法において、
   熱可塑性樹脂材料の複数の積層されたプライを含む少なくとも１つの不均一な厚さの複数のプライの積層体を生成し、
   前記不均一な厚さの複数のプライの積層体を仮留めして少なくとも１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体を形成し、
   前記不均一な厚さの仮留めされた積層体の１つを予備成形ゾーンと合体ゾーンを有する合体装置へ導入し、
   第１の材料を形成し、
   前記第１の材料を前記合体装置へ導入し、
   前記１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体と前記第１の材料から前記予備成形ゾーン内で予備成形部材を形成し、
   前記予備成形部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するように合体させるステップを含んでいる方法。
2. さらに、第２の熱可塑性樹脂材料の少なくとも１つの充填剤ナゲットを形成し、
   前記少なくとも１つの充填剤ナゲットを前記合体装置へ導入し、
   前記１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体と前記第１の材料と前記少なくとも１つの充填剤ナゲットから前記予備成形ゾーン内で予備成形された部材を形成するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
3. 前記熱可塑性樹脂材料は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミドからなるグループから選択された熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂を含んでいる請求項１記載の方法。
4. 前記熱可塑性樹脂材料は前記熱可塑性樹脂マトリックス樹脂内に含まれている少なくとも１つの単方向性ファイバにより補強され、前記少なくとも１つの単方向性ファイバはガラスファイバと炭素ファイバからなるグループから選択される請求項３記載の方法。
5. 前記第２の熱可塑性樹脂材料はポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミドからなるグループから選択された熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂を含んでいる請求項２記載の方法。
6. 前記第２の熱可塑性樹脂材料は前記熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂内に含まれる少なくとも１つのファイバにより補強され、前記少なくとも１つのファイバはガラスファイバと炭素ファイバからなるグループから選択される請求項５記載の方法。
7. 前記不均一な厚さの複数のプライ積層体の熱可塑性樹脂材料の前記複数のプライの少なくとも１つは部分的なプライを含んでいる請求項１記載の方法。
8. 予備成形ゾーンと合体ゾーンを有する合体装置へ前記不均一な厚さの仮留めされた積層体の１つと前記第１の材料を導入し、前記予備成形ゾーン内で予備成形部材を形成するステップはさらに、
   １対のＵ型チャンネルと１対の側面加工部材を合体装置の前記予備成形ゾーンに設け、前記１対のＵ型チャンネルのそれぞれは１対の外部部分の間に結合された中央部分を有し、前記Ｕ型チャンネルの前記中央部分の間にギャップが規定され、
   １対のＵ型チャンネルの間の前記ギャップ内に１対の前記少なくとも１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体を導入し、
   前記１対の不均一な仮留めされた積層体を変形させるのに十分な温度であるが、前記不均一な仮留めされた１対の積層体の前記複数のプライのマトリックス樹脂コンポーネントの自由流動温度よりも低い温度である第１の温度へ前記予備成形ゾーンを加熱し、
   前記１対のＵ型のチャンネルの１つのぞれぞれの外側部分上に不均一な厚さの仮留めされた前記１対の積層体の１つの各端部を屈曲させ、
   Ｕ型のチャンネルの前記対の他方のぞれぞれの外側部分上に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の他方の各端部を屈曲させ、
   前記第１の材料の第１のものと第１の充填剤ナゲットを前記１対の側面加工部材の１つと前記Ｕ型チャンネルの外側部分の前記対の１つとの間に導入し、それによって、前記第１の充填剤ナゲットは不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の一方の端部と前記第１の材料の前記第１のものとの間に位置され、前記第１の材料の前記第１のものは実質的に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の前記一方の端部に接触し、
   前記第１の材料の第２のものと第２の充填剤ナゲットを前記１対の側面加工部材の他方と前記Ｕ型チャンネルの外部の前記対の他方との間に導入し、それによって、前記第２の充填剤ナゲットは不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の他方の端部と前記第１の材料の前記第２のものとの間に位置され、前記第１の材料の前記第２のものを実質的に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の前記他方の端部に接触させるステップを含んでおり、
   不均一な厚さの仮留めされた前記１対の積層体と、前記第１の材料の前記第１のものと、前記第１の材料の前記第２のものと、前記第１の充填剤ナゲットと、前記第２の充填剤ナゲットとは前記予備成形ゾーン内で予備成形させる部材を形成するために共に結合される請求項２記載の方法。
9. 前記予備成形された部材を前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するように合体させるステップはさらに、
   前記予備成形された部材を前記合体装置の加熱ゾーンに導入し、
   前記不均一な厚さの仮留めされた積層体のそれぞれの前記マトリックス樹脂コンポーネントと、前記第１の材料の前記第１及び第２のものと、前記第１の充填剤ナゲットと、前記第２の充填剤ナゲットの自由流動温度よりも高い温度である第２の温度へ前記予備成形された部材を加熱し、
   前記第２の温度に加熱された前記予備成形された部材を前記加熱ゾーンから加圧ゾーンへ導入し、前記加圧ゾーンは少なくとも１つのダイスを含み、
   単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するため前記予備成形された部材を合体させるのに十分な圧力で、加圧されたダイスにより前記予備成形された部材を加圧し、
   前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を前記自由流動温度よりも低い温度に冷却するために前記加圧ゾーンから冷却ゾーンへ前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を導入するステップを含んでいる請求項８記載の方法。
10. 予備成形ゾーンと合体ゾーンを有する合体装置へ前記不均一な厚さの仮留めされた積層体の１つと前記第１の材料を導入し、前記予備成形ゾーン内で予備成形された部材を形成する前記ステップはさらに、
    １対のチャンネルと１対の側面加工部材を合体装置の前記予備成形ゾーンに設け、チャンネルの各前記対は１対の外側部分の間に結合された中央部分を有し、前記チャンネルの前記中央部分間にギャップが規定され、
    １対のチャンネルの間の前記ギャップ内に１対の前記少なくとも１つの不均一な厚さの仮留めされた積層体を導入し、
    前記１対の不均一な仮留めされた積層体を変形するのに十分な温度であるが不均一な仮留めされた積層体の前記対の前記複数のプライのマトリックス樹脂コンポーネントの自由流動温度よりも低い温度である第１の温度へ前記予備成形ゾーンを加熱し、
    Ｕ型チャンネルの前記対の一方のぞれぞれの外側部分上に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の一方の各端部を屈曲し、
    Ｕ型チャンネルの前記対の他方のぞれぞれの外側部分上に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の他方の各端部を屈曲し、
    前記第１の材料の第１のものを側面加工部材の前記対の１つと前記Ｕ型チャンネルの外側部分の前記対の１つとの間に導入し、前記第１の材料の前記第１のものは実質的に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の前記一方の端部に接触し、
    前記第１の材料の第２のものを側面加工部材の前記対の他方と前記Ｕ型チャンネルの外部の前記対の他方との間に導入し、前記第１の材料の前記第２のものを実質的に不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対の前記他方の端部と接触させるステップを含んでおり、
    不均一な厚さの仮留めされた積層体の前記対と、前記第１の材料の前記第１のものと、前記第１の材料の前記第２のものとは前記予備成形ゾーン内で予備成形された部材を形成するために共に結合される請求項１記載の方法。
11. 前記予備成形された部材を、前記合体ゾーン内で単一の一体化された熱可塑性樹脂の圧縮された部材を形成するように合体させるステップはさらに、
    前記予備成形された部材を合体装置の加熱ゾーンに導入し、
    前記不均一な厚さの仮留めされた積層体のそれぞれの前記マトリックス樹脂コンポーネントと、前記第１の材料の前記第１及び第２のものの自由流動温度よりも高い温度である第２の温度へ前記予備成形された部材を加熱し、
    前記第２の温度に加熱された前記予備成形された部材を前記加熱ゾーンから加圧ゾーンへ導入し、前記加圧ゾーンは少なくとも１つのダイスを含んでおり、
    単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を形成するために前記予備成形された部材を合体させるのに十分な圧力で、加圧されたダイスにより前記予備成形された部材を加圧し、
    前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を前記自由流動温度よりも低い温度に冷却するために前記加圧ゾーンから冷却ゾーンへ前記単一の一体化された熱可塑性樹脂の加圧された部材を導入するステップを含んでいる請求項１０記載の方法。
12. 合体装置の予備成形ゾーンを設けるステップはさらに、
    熱可塑性樹脂複合積層の少なくとも１つの位置についての所望される部分の厚さを決定し、
    前記少なくとも１つの位置に対する前記所望される部材の厚さを有する前記１対のチャンネルと前記１対の側面加工部材を合体装置の前記予備成形ゾーンに設けるステップを含み、各前記チャンネル対は１対の外側部分の間に結合された中央部分を有し、前記チャンネルの前記中央部分の間にギャップが規定され、前記チャンネル対と前記側面加工部材の対は前記少なくとも１つの位置のそれぞれで前記所望される部分の厚さに実質的に整合するように成形される請求項１０記載の方法。
13. 前記１対のチャンネルの外側表面は前記合体装置の合体ゾーン内に含まれているそれぞれのダイスに整合するように設計される請求項１２記載の方法。
14. さらに前記１対のチャンネルの少なくとも１つに結合されている１以上の傾斜部を具備する請求項１２記載の方法。
15. 前記第１の材料は少なくとも１つの仮留めされた複数のプライ積層と熱可塑性材料の少なくとも１つのプライからなるグループから選択され、各前記仮留めされた複数のプライの積層体は不均一な厚さの仮留めされた複数層のプライのシート積層体と均一な厚さの仮留めされた複数層のプライシート積層体からなるグループから選択される請求項１記載の方法。

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