コンポジット製造
エンジニアリング構造における繊維強化プラスチック(FRP)の開発は、スポーツ用品や高性能レーシングカーからヘリコプター、最近では商用飛行機に至るまで、着実に多様化している。 複合材料は、基本的に、最良の特性を組み合わせるために一緒に使用される二つ以上の異種材料の組み合わせであり、または構成材料のどちらも自 工学合成物は連続的な、まっすぐな繊維の形態を取る個々の層から普通造り上げられます（例えば。 カーボン、ガラス、aramid等。）ホストポリマーマトリックスに埋め込まれている（例えば。 フェノール、ポリエステル、エポキシ等。最終的な材料/構造を造り上げられるために層によ層薄板にされる）。
先進的な繊維強化複合材料の製造に関して認識すべき最も重要な側面は、材料と構造が同時に作成されることです。 その結果、製造プロセス中に誘発される欠陥は、材料および構造の強度および剛性に直接影響する。 あらゆる小さい細部は重要である。
過去40年間に、以下を含む多数の複合製造プロセスが開発されてきました: 接触の鋳造物、圧縮の鋳造物、真空バッグ/オートクレーブの鋳造物、回転鋳造物、樹脂の移動の鋳造物（RTM）、テープ包むこと、フィラメントの巻上げ、pultrusion、拡大のぼうこう これらのプロセスにすべて共通で複数の特徴があります;補強は用具の必須の形に持って来られますまたは型、樹脂および繊維は樹脂を治す高温およ 異なる製造技術は、直接プロセス（例えば、直接プロセス）として分類することができる。 RTM、pultrusion、接触の鋳造物）樹脂と予め浸透する繊維を使用する形成または間接プロセスのポイントで一緒に持って来られる別の繊維および樹脂を使用する（例。 vacumm袋/オートクレーブの鋳造物、圧縮の鋳造物）。
製造プロセスの選択は、当然のことながら、部品の品質、機械的特性、製造コストに大きな影響を与えます。 Potter(1996)によれば、理想的なプロセスは次のように定義することができます。:
- 高い生産性-短いサイクル時間、低い労働の内容等。
- 最小材料コスト–低付加価値材料、低材料貯蔵および取り扱いコスト
- 最大幾何学的柔軟性–部品の形状の複雑さおよびサイズ
- 最大特性の柔軟性–マトリクスの範囲、補強タイプの範囲、機械的特性およびテーラー特性を制御する能力
- 最小仕上げ要件–ネット形状製造
- 信頼性が高く、高品質の製造–低リジェクト率、低変動性など。
これらの要件をすべて同時に満たすことができる製造プロセスは存在しません。 最も一般的な5つのプロセスの比較を以下に示します。
複合製造技術の比較(1)
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コンタクト成形回路図(1)
これは、最も古く、最も原始的な製造プロセスですが、世界中で最も広く使用されています。 接触で形成の樹脂は用具の表面に置かれる乾燥した補強に手動で加えられ、ブラシが付いている壁紙をつけることと比較することができる。 用具および生地は大気圧の下で積層物を治すために取除かれる真空バッグおよび袋の下の空気によってそれから囲まれています。 しかしながら、適用される圧力は比較的低く、硬化は典型的には室温で起こるので、補強材の体積分率は自然な充填密度に制限される。 なお、質は労働力の技術に全く依存して、確実に良質の積層物の保証の難しさが原因で民間航空機のための接触によって形成される構造部品を修飾 最後に、限られた外圧空隙率が原因で積層物の厚さの可変性に対する大きい効果をもたらす制御しにくいです。
ウィルトン(2)
一方ではプロセスは非常に適用範囲が広く、一度だけ生産にとって理想的、最低の下部組織を要求する。 接触の鋳造物が非常に大きい構造のための選択のプロセスの間、幾何学的な柔軟性は良い細部、角の半径、等と部品の作成の点ではより強いられます。 従ってプロセスはglassfibre/ポリエステル樹脂の造船業とグライダーのために広く使用される。
バッグ/オートクレーブ
オートクレーブの治療のためのPrepregのレイアップ(1)
高度の合成物のオートクレーブプロセスでははるかに最も広く利用されて、オートクレーブの鋳造物は航空宇宙産業のための選択のプロセスである。 これらのプロセスは部分的に治るか、またはベータ上演された編まれた布かpre-impregnated単方向層を使用する。 一つの欠点は、樹脂がオフになるのを防ぐために、プレプレグを冷凍庫に保管しなければならないことである。 多数のprepregの層は事前定義された繊維のオリエンテーションの用具の表面に、必須の厚さを造り上げるために置かれ、次に解放のフィルムで、一休みの生地 空気は袋から真空および用具を高温および圧力の下で熱される樹脂を治すために作成するために引き出されます。 原則として多数のdemoulding周期は積層物を覆い、層間の余分な空気を取除くためにあらゆる3-4の層の後で真空を加えることによって行われます。 これはバルク要因を減らし、層間の薄片分離を防ぎ、厚さ次元を制御するのを助ける。 規則的なdemoulding周期および治癒の間の部品の十分な流体静力学圧力はよい鋳造物を達成するための2つの基本的な条件です。 オートクレーブの鋳造物の生産性は手動位置、袋に詰め、そしてdemoulding周期が重要な労働および時間を消費するので一般にかなり低いです。 さらに、オートクレーブの設備投資はenourmousであり、これらの消耗品が正当化されるより大きな構造にその使用を制限する。 なぜなら、プリプレグはもはや低付加価値状態ではなく、材料コストも高くなるからである。
オートクレーブの治療のためのPre-pregの蜜蜂の巣サンドイッチ(1)
形状とサイズの両方の幾何学的柔軟性は、ほとんどのプロセスよりも優れています。 最近では、金属製のアプローチでは不可能であろうヘリコプターの床全体を一枚で製造することが可能であった。 オートクレーブの鋳造物は蜜蜂の巣中心と共に非常に軽量の部品が製造することができるそのような物頻繁に使用されます。 これは、オートクレーブ成形品の優位性は、少なくとも航空宇宙環境では、近い将来に継続する可能性が非常に高いと思われる理由の一つです。
フィラメント巻線プロセスの概略図(1)
フィラメントの巻上げで繊維の牽引は樹脂の浴室を通して渡され、回転心棒の軸線に沿って縦方向に横断することによって回転の心棒に傷付きま 粘着性のpre-impregnated繊維の牽引が使用されなければ牽引に先行している道は密接に測地線道（引張られたら繊維を入れさせない繊維道）に続かなければな 円柱上の任意の単純なヘリカル経路は測地線経路と定義されるが、二方向の曲率が導入されると（例えば地球儀）、可能な経路の数は非常に限られる。 このため、特性の柔軟性は、フィラメント巻線が典型的には配管、圧力容器およびロケットモータの製造に使用されるように、むしろ制約される。 特に、圧力容器は巻上げの方向によって収容することができる2つのはっきり定義された圧力方向（たがおよび縦方向の圧力）があるのでフィラメントの巻
フィラメント巻線の欠点の一つは、マンドレルが巻線内に囲まれていることが多いことです。 金属またはポリマーのはさみ金が心棒として使用されれば構造の永久的な部分を形作るかもしれませんが、巻上げが部分をdemould端にスリットオフであ 幾何学的な柔軟性はまた円かプリズム鋳造物のまわりで巻かなければならないことによって強いられます。 一つの大きな利点は、プロセスが自動化に適していることであり、サイクルタイムと人件費を高い信頼性と品質で低く保つことができます。 この後者の側面は、プロセスの幾何学的限界と可能な応用を広げるための努力がなされている理由の一つです。
樹脂トランスファーモールディング（RTM)
樹脂の移動の形成プロセスの概略図(1)
RTMは単一のプロセスと見なすことはできませんが、「樹脂と繊維が最後の瞬間まで離れて保持される製造哲学」と見なされます（Potter、1996）。 但し、すべてのプロセス変化に樹脂が補強に浸透するように樹脂の供給に適用される差動圧力の閉鎖した用具キャビティ内のunresinated繊維の把握の共通 用具は堅いか、または適用範囲が広い要素を含んでいるかもしれない。 用具の強化圧力は内部真空の機械クランプ、工具細工の出版物または使用によって応用で、樹脂に関して繊維の達成された体積分率を定義する。 RTMは、1970年代から航空機エンジンの圧縮機のブレードと同様に、レドームを構築するために使用されてきました。 RTMプロセスをさらに発展させる主な要因は、オートクレーブ成形品によって課される幾何学的複雑さの制限を克服できる製造方法を考案することです。 生産性の点ではサイクル時間は他のほとんどのプロセスより低く、自動車産業で小さい部品は数分以内に製造されます。
RTM
で製造された自動車用パネルRTMの主な利点は、冷凍庫に保管する必要がない低付加価値材料（乾燥繊維および低粘度樹脂）の使用であり、材料およ しかしRTMの主要な利点は幾何学的なおよび特性の柔軟性の内にある。 RTMはUDによってステッチされる布、編まれた生地および3D生地と使用し従って部品の体積分率そして剛さそして強さを制御するために樹脂の注 なお、非常に良い細部が付いている小さい部品は堅い金属の工具細工でより大きい部品が適用範囲が広い型で作り出すことができる間、製造され 最後に、密接に管理されたプロセスと最低の仕上げの条件と純形の鋳造物を作成することは可能である。 しかし、これはすべて、わずかにトリッキーな生産技術でコストがかかります。 良質の部品を保証するためには樹脂の注入および樹脂の流れは補強すべてが均等にぬらされるように密接に制御されなければならない。 これは部品のすべての部品への樹脂の流れを可能にする型の形を思い付くためにかなり高度の流体力学のシミュレーションおよび広範なテストを
引き抜きプロセスの概略図(1)
このプロセスで繊維はクリール板から引かれ、樹脂と繊維を浸透させるために樹脂の浴室を通して渡されます。 含浸された繊維は、その後、任意の過剰な樹脂を除去し、おおよその最終的な形状を事前に形成するためにプレダイを通過する。 その後、硬化ダイが入力され、引き抜き部品の最終的に必要な断面の形状が取られます。 硬化ダイは部品に熱を加えて樹脂を固化させ、硬化した形状のプロファイルを張力下でダイから引っ張ります。 これは生産性が進行中の生産で非常に高い場合もあるが、新しい横断面ダイスへの変更を要求するより低い生産の容積のために落ちることを意味 操作が自動化されているので人件費は低く、部品の信頼性そして質は高いです。 このプロセスは、一般的に一定の断面部品に限定されており、用途が大幅に制限されています。 Pultrusionは大気および宇宙空間環境で少しだけ使用されたが、土木工学の構造のための製造業の標準化されたプロフィールのビームの適用を見つけた。
自動化されたプロセス
複合製造におけるロボット工学の使用は急速に成長しており、将来の最も有望な技術である可能性があります。 製造プロセスを自動化することの明らかな利点は次元の減らされた可変性およびより少ない製造上の欠陥を含んでいる。 なお、供給材料はより効率的に使用することができ、人件費は減る。 システムの1つの有望なクラスは”スリットテープ”の多数のpre-impregnated牽引を沈殿させるあらゆる単一の牽引の切断、締め金で止め、そして再始動ロボティック ロボティック頭部が特定の繊維道の牽引に続く間、沈殿の直前に熱され、次に特別なローラーを使用して基質に密集する。 現在のロボット技術の忠実度が高いため、AFPマシンは高い生産性を提供し、複雑な形状を処理することができます。 現在の用途には、ボーイング787の胴体の製造と正方形の箱の巻き取りが含まれ、それは翼のスパーのための二つの”C”セクションを作るために縦にスリットされている。 ElectroImpactのような会社によって設計されている統合された製造システムは未来の航空機の構造のための刺激的なターンキー機能を提供する。 これらのシステムは、複数の製造プロセス、例えば、繊維の配置と一つのロボットヘッド上の添加剤製造を組み合わせているため、より少ない接合部と接続を持つブレンドされた統合された構造の生産を容易にします。 これらのシステムはまたエンジニアが大規模で経済的に製造し現在困難である統合されたorthogridまたはisogridの合成のパネルのようなより有効な構造を、設計することを可能にする。
ボーイング787胴体(3)
