オートクレーブ複合材製造から

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、航空宇宙用途で一般的に要求される高強度、複雑な形状、厳しい寸法公差、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、一般的にアルミニウム製の密閉型金型を使用します。グラファイトなどの繊維「積層体」を金型に配置します。金型を閉じ、密封し、加熱し、真空下に置きます。加熱された樹脂を金型に注入して、繊維積層体に含浸させます。真空補助樹脂トランスファー成形（VARTM）のように、金型を加熱して真空下にすることで、樹脂の流れが促進されます。その後、金型を樹脂が硬化するのに十分な温度に保持します。現在のRTM技術は、優れた機械的特性を持つ軽量部品を製造します。これらの特性により、複合材料は、航空宇宙および航空分野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るようになっています。RTMは、これらの複合構造を製造する方法の1つです。^{[ 1 ] [ 2 ]}

同一認定樹脂トランスファー成形（SQRTM）は、RTMと同様のクローズドモールド複合材製造方法です。「同一認定」とは、この方法ではプリプレグ積層に使用された樹脂と同じ樹脂を注入することを意味します。「同一認定」の特性は、このプロセスを採用するメーカーにとって重要です。なぜなら、このプロセスを採用するメーカーは、製造プロセス用に樹脂材料を再認定する必要がないからです。SQRTMが標準的な樹脂トランスファー成形と異なる点は、乾燥繊維プリフォームではなくプリプレグ積層を使用することです。^{[ 3 ]}

SQRTMは、プリプレグ技術に適合したRTMプロセスです。プリプレグは閉じた金型に配置され、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に注入されます。この樹脂は積層体の中には入らず、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積層体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（90～100psi）程度です。静水圧は、溶解した空気、水、樹脂モノマーを樹脂中に溶液として保持することで、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、または加熱およびプレスによるクランプ式のいずれかです。装置は、ツール、プレス、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プロセスにおける重要な要素は、精密機械加工された密閉型金型、高圧プレス、金型内部への高真空の適用、および加熱プラテン、注入樹脂量、熱、圧力の精密な制御である。

SQRTMプロセスの利点としては、高いレベルの統合性、厳しい公差、および認定されたプリプレグの使用が挙げられます。欠点としては、ツールコストが高いことと、設計変更に対する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を片面金型に積層し、真空バッグで密封するという点でプリプレグ加工とは異なります。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注入媒体を介して強化材に真空引きされ、繊維の濡れ性を促進します。その後の硬化は、オートクレーブとは異なり、高温や高圧を必要としません。このプロセスの比較的低コストの金型により、三菱スペースジェットの尾部など、大型で複雑な部品を一度に安価に製造できます。^{[ 1 ] [ 6 ]}

流体を熱伝達媒体として用いるバランス型圧力成形は、「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。このプロセスは、流体充填式で圧力バランスが取れた加熱式フローティングモールド技術を採用しています。この加熱式フローティングモールド技術は、熱伝達流体（ HTF）に浸漬され、HTFに囲まれた自由浮遊型の剛性または半剛性モールドの間に挟まれた積層材に、急速に熱を加えることで機能します。急速加熱により樹脂粘度を大幅に低下させることができ、その結果、オートクレーブで使用される圧力よりも低い圧力で積層材を完全に固化させることができます。モールドと積層材は、循環するHTFから柔軟な膜によって分離されます。通常、完全真空状態にある部品は、最大250kPaの流体圧力にさらされ、HTFが必要に応じて余分な熱を吸収できるため、壊滅的な発熱反応のリスクなしに、所望の硬化温度まで急速に加熱することができます。次に真空下で空気を除去し、積層体を圧縮・加熱して部品を硬化させる。

金型の下にある柔軟な膜は、圧力チャンバーに接着され、「クラムシェル」または「チャンバー」状の金型セットの下半分を形成します。2つ目の柔軟な膜は、2つ目の圧力チャンバーに接着され、クラムシェルの上半分を形成します。これらの圧力チャンバーは、加工中に互いに締め付けられ、積層材が圧縮されると同時に、熱媒体内のバランスのとれた圧力環境下で金型が浮遊するため、金型への応力が軽減されます。

このプロセスでは、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のプリプレグ（含浸複合繊維）、および乾燥繊維を含む湿潤樹脂を使用して、優れた複合部品を製造できます。このオートクレーブ不要のプロセスでは、2%未満の航空宇宙グレードのボイド含有量を達成でき、サイクルタイムが非常に短く、一般的なオートクレーブ認定プリプレグを使用する多くの代替オートクレーブ製造システムよりも大幅に低い圧力と低い労働コストで済みます。クイックステップ・オートクレーブ不要システムは、完全に浸漬されたバランス圧力流体硬化を使用するという点でユニークであり、ユーザーは硬化サイクルの任意の時点で複合材の硬化反応を停止できるため、積層体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、他の複合材を共硬化、接合、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異なり、温度制御に流体を使用することで、エネルギー消費量の削減、サイクルタイムの短縮、そして極めて正確な部品温度制御が可能になります。

オートクレーブを使用せずにプリプレグベースの複合材部品に外部圧縮を施すもう1つの方法は、熱収縮テープを使用することです。ただし、この方法はオートクレーブや密閉型金型を使用しないため、非加圧オーブンで部品を硬化させる必要があり、RTMやオートクレーブプロセスほどの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材部品に貼付されます。加熱すると、テープは直線方向（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、テープが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、風力発電、消費者向けスポーツ用品などの複合材チューブが挙げられます。熱収縮テープを使用することで、これらの部品をオートクレーブの熱と圧力で硬化させる必要なく加工できます。