オートクレーブ外複合材製造

オートクレーブ外複合材製造は、航空宇宙メーカーが複合材の製造に一般的に使用している従来の高圧オートクレーブ（工業用）硬化プロセスの代替手段です。オートクレーブ外（OOA）は、オートクレーブと同じ品質を異なるプロセスで達成するプロセスです。^[1] OOA硬化は、密閉型内にレイアップを配置し、オートクレーブ以外の手段で真空、圧力、熱を適用することで、必要な繊維含有量とボイドの除去を実現します。樹脂トランスファー成形（RTM）プレスは、密閉型に熱と圧力を適用する一般的な方法です。現在使用されているオートクレーブ外技術には、RTM、同一品質樹脂トランスファー成形（SQRTM）、真空補助樹脂トランスファー成形（VARTM）、バランス圧力流体成形などがあります。これらのプロセスの中で最も高度なものは、ハイテクネットシェイプの航空機部品を製造できます。

樹脂トランスファー成形 (RTM) は、ハイテク複合構造を製造する方法です。RTM プロセスは、高強度、複雑な形状、厳しい寸法公差、および航空宇宙用途で一般的に求められる部品品質を備えた複合部品を一貫して製造できます。RTM では、通常アルミニウム製の密閉型を使用します。グラファイトなどの繊維「レイアップ」を型に入れます。型を閉じて密封し、加熱して真空下に配置します。加熱した樹脂を型に注入して繊維レイアップを含浸させます。真空補助樹脂トランスファー成形(VARTM) のように型を加熱して真空下に置くと、樹脂の流れが促進されます。次に、型を樹脂を硬化させるのに十分な温度に保ちます。現在の RTM 技術では、優れた機械的特性を持つ軽量部品が製造されます。これらの特性により、複合材料は航空宇宙および航空で一般的なさまざまな構造および非構造用途で広く使用されています。RTM は、これらの複合構造を製造する方法の 1 つです。^{[1] [2]}

同一品質樹脂トランスファー成形 (SQRTM) は、RTM に似た密閉型複合材製造方法です。「同一品質」とは、プリプレグレイアップで使用したのと同じ樹脂を注入するこの方法を指します。「同一品質」の属性は、このプロセスを採用するメーカーが製造プロセスで樹脂材料を再品質化する必要がないため、メーカーにとって重要です。SQRTM が標準的な樹脂トランスファー成形と異なる点は、ドライ ファイバー プリフォームではなくプリプレグ レイアップを使用する点です。^[3]

SQRTM は、プリプレグ技術に適応した RTM プロセスです。プリプレグは閉じた金型内に配置され、硬化サイクル中に、部品の周囲に配置されたポートから少量の樹脂がキャビティ内に注入されます。この樹脂はラミネートには入りませんが、オートクレーブ硬化の目的と同様に、プリプレグに静水圧をかけるためにラミネートの端に押し付けられるだけです。この圧力はオートクレーブと同様で、6～7 バール (90～100 psi) 程度です。静水圧は、溶解した空気、水、樹脂モノマーを樹脂に溶解したままにすることで、ボイドを最小限に抑えます。ツールは、自己クランプおよび自己加熱式、またはプレス機で加熱およびクランプすることができます。この装置は、ツール、プレス機、インジェクター、および真空ポンプで構成されています。^[4]

SQRTM プロセスの重要な要素には、精密機械加工された密閉型金型、高圧プレス、金型内部に適用される高真空、加熱プラテン、注入樹脂量、熱、圧力の正確な制御などがあります。^{[引用が必要]}

SQRTMプロセスの利点としては、高度な統合、厳しい公差、高品質のプリプレグの使用などが挙げられます。欠点としては、ツールコストが高く、設計変更の柔軟性が低いことが挙げられます。^[5]

真空補助樹脂トランスファー成形（VARTM）は、繊維強化材とコア材料を片面金型上に積層し、真空バッグに入れるという点でプリプレグ処理とは異なります。液体樹脂は金型のポートから導入され、設計されたチャネルと繊維の濡れを促進する注入媒体を介して強化材を通して真空引きされます。その後の硬化には、オートクレーブとは異なり、高熱や高圧は必要ありません。このプロセスの比較的低コストのツールにより、^[1]三菱スペースジェットの尾翼などの大型で複雑な部品をワンショットで安価に製造できます。^[6]

流体を熱伝達として使用するバランス圧力成形は、「クイックステップ」プロセスとして商業的に実施されています。このプロセスでは、複合材料の硬化、部分硬化、および接合が可能です。このプロセスには、流体充填、圧力バランス、加熱フローティングモールド技術が含まれます。このプロセス内で使用される加熱フローティングモールド技術は、熱伝達流体( HTF) 内に浮かんでいて、HTF に囲まれているフリーフローティングの剛性または半剛性のモールドの間に挟まれたラミネートに急速に熱を加えることによって機能します。急速加熱により樹脂の粘度が大幅に低下し、オートクレーブで使用される圧力よりも低い圧力で完全なラミネートの固化を実現できます。モールドとラミネートは、柔軟な膜によって循環する HTF から分離されます。通常、完全な真空状態の部品は、250kPa の流体圧力にさらされ、HTF が必要に応じて余分な熱を引き出すことができるため、壊滅的な発熱反応のリスクなしに、必要な硬化温度まで急速に加熱できます。次に、真空下で空気を除去し、積層体を圧縮して部品が硬化するまで加熱します。

金型の下の柔軟な膜は圧力室に接着され、「クラムシェル」または「チャンバー」のような金型セットの下半分を形成します。2 番目の柔軟な膜は 2 番目の圧力室に接着され、クラムシェルの上半分を形成します。これらの圧力室は処理中に一緒に固定され、HTF 内のバランスの取れた圧力環境で金型が浮遊しているため、積層板を圧縮しながら金型にかかるストレスを軽減できます。

このプロセスでは、熱硬化性、熱可塑性プリプレグ (予め含浸させた複合繊維)、および湿潤樹脂と乾燥繊維を使用して、優れた複合部品を製造できます。このオートクレーブ外プロセスでは、多くの一般的なオートクレーブ認定プリプレグを使用する他の多くのオートクレーブ製造システムよりも、サイクル時間が非常に短く、圧力と人件費が大幅に低く、航空宇宙グレードのボイド含有量 2% 未満を実現できます。クイックステップ オートクレーブ外システムは、完全に浸漬されたバランス圧力流体硬化を使用する点で独特であり、ユーザーは硬化サイクルのどの時点でも複合硬化反応を停止できるため、ラミネートの全体または一部の処理を停止し、後で戻って硬化を完了するか、または他の複合材料を共硬化、結合、接着してより大きな部品を作成できます。

オートクレーブやオーブン硬化などの方法で一般的に使用されるガスとは対照的に、温度を制御するために流体を使用すると、エネルギー消費が少なくなり、サイクル時間が短縮され、部品の温度制御が非常に正確になります。

プリプレグベースの複合部品に外部圧縮を施すオートクレーブ外のもう 1 つの方法は、熱収縮テープを使用することです。ただし、この方法では、オートクレーブまたは密閉型がないため、部品を非加圧オーブンで硬化させる必要があるため、RTM またはオートクレーブ プロセスのような高品質は得られません。これらの圧縮テープは、通常、ポリエステル (PET) フィルムで作られています。熱収縮テープは、加熱または硬化サイクルの前に複合部品に貼り付けられます。加熱されると、テープは直線的 (機械方向) に収縮します。熱収縮テープは、断面が円筒形または半円形の部品に最適です。これにより、テープは部品表面に均一な圧縮力を加えることができます。例としては、航空宇宙、風力エネルギー、消費者向けスポーツ用品などの複合チューブが挙げられます。熱収縮テープを使用すると、オートクレーブの熱と圧力で硬化させる必要なく、これらの部品を処理できます。

• ロバート・M・ジョーンズ（1999年）。複合材料の力学（第2版）。テイラー＆フランシス。ISBN 9781560327127。
• Autar K. Kaw (2005).複合材料の力学(第 2 版). CRC. ISBN 0-8493-1343-0。
• ホラウェイ、レナード編 (1994)。エンジニアのためのポリマー複合材料ハンドブック。ケンブリッジ: Woodhead Publishing。ISBN 978-1-85573-129-5. OL  12000916M.
• マシューズ、FL & ローリングス、RD (1999)。複合材料：工学と科学。ボカラトン：CRC プレス。ISBN 0-8493-0621-3。