JP7326666B2 - 液体マトリックス剪断圧力含浸装置の応用 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、特にシート形状の繊維強化複合材料の連続製造に関する。本発明の実施形態は、材料が通過する昇圧領域を生成するための閉込め手段とともに、液体と接触している移動表面からの剪断力を用いることに関する。昇圧は、含浸を通して、同伴空気および／または他の気体が液体および繊維に伴うことを妨げることにより、それらを製品から排除し、ウェットアウトを向上させる。また、これらの剪断力によって生じる流れは、最終製品内に浮遊する繊維および充填材の分散をより均一にし得る。

液体が高い剪断力を維持し得る場合、液体と接触している表面は非常に速く動き、高圧および強い流れの下で繊維を強力にウェットアウトすることができる。ただし、同じ概念が、高い剪断力を維持することができない液体または固体において低圧下で繊維を穏やかに含浸させるために用いられ得る。この方法は、繊維を劣化させ得る、製造中の複合材との直接機械的接触を用いない。

複合材製造において、繊維強化材および液体マトリックスは、均一な材料を作るために結合される。たとえば気泡などの空所は、最小限にされ、または排除されなければならず、たとえば存在する場合、マトリックス内に浮遊している固体の分布に生じ得る、あるいは繊維強化材が不連続である場合、繊維分布自体に生じ得る他の不均一性も同様である。場合によっては、複合材は、機械ミキサと同様に直接攪拌によって作られるが、そのような方法は、繊維強化材を損傷させ、脆弱にし、連続繊維強化材の場合は可能でないため、一般的には用いられない。代わりに、一般的に複合材はシート形状で作られ、これは、より穏やかな含浸手段をもたらし、連続強化を可能にする。

空気は多くの場合、最初にマトリックス内に同伴し、または繊維によって搬送される。マトリックスが低粘性であり繊維含有率が低い場合、空気排除は単純であるが、より粘性の高いマトリックスおよびより高い繊維含有率になるとともに困難になる。マトリックス内に浮遊している固体は通常、マトリックスの粘性を高くし、空気排除を困難にする。また、繊維は、浮遊固体が貫通することを妨げ、固体の分布を不均一にし得る。しかし、粘性の高いマトリックス、高い繊維含有率、および浮遊固体は、多くの場合、特性および経済面の観点から所望され得る。

シート形状のＦＲＰ材料を形成しウェットアウトするための数々の技術が存在しており、いくつかの重要な技術が以下に挙げられる。これらの技術は大きな価値を持つが、それら全てが、マトリックスの粘性、または良好な含浸とともに追加され得る繊維および他の固体の比率において制限される。

複合材含浸のための第１の技術は、浴槽に繊維を浸漬し、たとえばブッシング、ダイ、またはカレンダロールなどの絞りによって過剰な樹脂を押し出すことである。この技術の一例は、繊維が樹脂に浸漬され、その後、一定断面積部品を形成するために加熱ダイを通して引き抜かれる、引抜き成形である。加えて、フィラメントワインディング、プリプレグ処理器、および他の多くのプロセスが、この第１の技術を用い得る。また、この方法は、ガラス繊維布をＰＴＦＥに含浸するためにも用いられ、この場合、マトリックスは非常に低い粘性であるが、劣化せずに大きな剪断力を維持することができない。

複合材含浸のための第２の技術は、プラスチックフィルムの上でマトリックスの薄い層を計測しながら供給し、その後、その中に繊維を押し込み、または経時的に繊維を定着させることである。この第２の技術は、一般にポリエステル樹脂である液体が、薄い層内の搬送フィルムの上に計測されながら供給され、その後、チョップド繊維の場合は強化材が樹脂の上に落とされ、あるいはマットまたは連続線強化材の場合は樹脂に押し込まれる、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）パネル製造において用いられる。樹脂および繊維を有するフィルムは、加熱ベッドの上で牽引され、ここで、繊維および／またはマットが樹脂層内に定着し、樹脂層によってウェットアウトされる。場合によっては、追加のウェットアウト対策として、この加熱ベッドの上で繊維は樹脂内へ穏やかに押し込まれる。加熱ベッドの端部において、トップフィルムはその後、ニップロールを用いて加熱ベッドに押し付けられる。

複合材含浸のための第３の技術は、精密研削加熱ロールを用いて、これらのローラによって形成された１または複数のニップ点を通って、通常、剥離紙の上でＦＲＰを運搬し、追加の加熱ロールに材料を押し付けることである。この技術は、連続繊維からプリプレグを作るために用いられる。この場合、通常、製品は第２の技術の場合よりも大幅に薄く、繊維の比率は大幅に高く、ニップロール（複数も可）の力もまた大幅に大きい。この技術は、連続繊維およびホットメルト樹脂でプリプレグを製造するために用いられる。このプロセスにおいて、剥離紙はホットメルト樹脂でコーティングされ、連続繊維の細い列が、対向する剥離紙とともに運び込まれ、ニップ点において樹脂コーティング紙に押し付けられる。

複合材含浸のための第４の技術は、溝付きローラまたは二重金網締固めデバイスを用いて低圧下で２つのプラスチックシート間で樹脂材料を動かすことを含む。二重金網ベルト締固めデバイスは、材料をウェットアウトするための複数の処理ローラの上下にある２つの金網ベルト間の蛇行経路において樹脂材料を運搬する。この技術は、シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）を作るために用いられる。

複合材含浸のための第５の技術は、ＴＭＣ製造またはＨｅｉｎｚｍａｎｎ技術のいずれかで用いられる。これらのプロセスの例は、ミズタニの米国特許第３，９３２，９８０号およびＨｅｉｎｚｍａｎｎの米国特許第４，８８９，４２９号において説明され、ＳＭＣと非常に似た材料を作るために用いられる。これらの方法は、樹脂マトリックスおよびチャージをともに運び込み、回転シリンダ間の隙間においてそれらを含浸するために、回転シリンダおよびサイドダムを用いる。含浸の後、ＦＲＰは、回転シリンダから剥ぎ取られ、梱包される。ＦＲＰを回転シリンダから剥ぎ取り、梱包するために用いられる方法が、これら２つの技術を互いに区別するものである。

更に近年、Ｆｒａｍによる米国特許第８，２７３，２８６号は、樹脂および繊維が加圧領域に押し込まれる時にそれらから空気を排除することによって繊維（すなわち、チャージまたは強化材）を液体樹脂（すなわち、マトリックス）で含浸するために少なくとも１つのローラ（たとえばキッカローラ）が用いられるシステムおよび方法を開示する。樹脂および繊維は最初、入口領域に投与され、その後、多くの場合、フィルムを搬送するローラに隣接した「入口隙間」へ引き入れられ、「入口隙間」の反対側で加圧領域へ突き込まれる。樹脂および繊維複合材の組み合わせは、その後、通常、フィルムとともに、小さな「出口隙間」を通って加圧領域から大気圧に向かって通過し、圧力下で押し出される。急速に回転する駆動ローラの表面と樹脂との間の剪断力が、加圧および駆動力を提供する。

Ｓａｌａｚａｒ他による米国特許第８，９１５，２１１号は、（触媒）樹脂で繊維を含浸するための２つのローラ含浸装置を開示する。樹脂は、２つのローラの真上に維持され、樹脂プールを生成するためのダムのセットによって包囲される。各ローラのために異なる樹脂プールが生成され得る。樹脂解放機構は、樹脂、および必要であれば触媒が、樹脂プール（複数も可）内へ解放されることを容易にする。樹脂プールの温度は、各ローラの温度とともに制御され得る。後含浸触媒活性剤は、触媒を活性化するために用いられ得る。

Ｂｒｕｅｓｓｅｌによる国際特許出願公開ＷＯ第２０１１／１６１０７４号は、ベースフレームに互いに対向して置かれるように配置された２つの混合ユニットを有する、繊維マトリックス混合物を連続的に製造するための混合装置を開示する。混合ユニットの各々は、少なくとも２つの回転可能偏向ローラを有し、その周囲でベルトがガイドされる。ベルトは、繊維マトリックス混合物のための混合間隙の境界を定める。混合間隙に沿ってそれぞれのベルトを支持するための少なくとも１つの支持要素が、偏向ローラの間に配置される。それによって、繊維マトリックス混合物の成分をブレンドおよび含浸するために十分に高い圧力が混合間隙内に生じる。ベルトから繊維マトリックス混合物を剥ぎ取るために、ベルトに関連付けられ、関連する剥ぎ取り縁部を有する２つの解放要素を有する解放ユニットが提供される。この混合装置は、ＳＭＣ半製品として更に直接処理され得る混合物ストランドを製造し得る。

連続的に作られ得る複合材の範囲を拡大する装置および方法の必要性が、当該技術分野において存在する。そのような装置および方法は、空気を排除し製品を均一にするためのより強力な方法で繊維およびマトリックスを結合しなければならない。同時に、それらは、繊維強化材を機械的に劣化させない可能性がある。そのようなシステムおよび装置は、既存のシステムより安価であり、高い製造速度で動作する必要がある。これらの要望を満たすことは、たとえば軽量性、強い強度、低コストなどの利点とともに、現在製造されているものより優れた材料の製造をもたらし得る。

本発明の実施形態の鍵となる要素は、ＦＲＰ製造における剪断力が、製品をより均一にし、同伴空気を引き剥がす流れおよび圧力勾配をどのように生成するかに着目する。一般に説明されないが、これらの剪断力およびそれらの結果生じる流れおよび圧力勾配は、複合材料の製造のための既存のプロセスに常に存在しており、ここで提示されるそれらの機能の理解は、この技術の新規かつ重要な態様である。ただし、場合によっては、そのような剪断力はマトリックスを劣化させる。したがって、剪断力の使用を最適化するように含浸を構成することが重要である。

この新しい理解の一部として、含浸プロセスを通して空気がＦＲＰに伴うことを防ぐ障壁である「圧力障壁」という用語が本説明において用いられる。加えて、通常、「圧力障壁」を通過する大気圧に関して、ＦＲＰが到達する圧力である「含浸圧力」という用語も用いられる。「含浸圧力」は、直接測定可能である。「圧力領域」は、「含浸圧力」における製造ライン内のＦＲＰの容積である。圧力を維持（かつＦＲＰ内での流れの消散を防止）するために、「圧力領域」は、大部分が包囲される必要がある。一般に、ＦＲＰは、「入口隙間」を通って「圧力領域」へ入り、「出口隙間」を通ってそこから出る。実際、任意の点における圧力変化に起因する同伴気泡にかかる力は、ＦＲＰおよびその点における反対方向における圧力勾配、すなわち、定性的に、その圧力変化の距離で割られたその点における圧力の変化に概ね比例する。

この説明において、「ライン速度」という用語は、基準点として用いられ、複合材が生産される線速度を意味する。伸縮性がない連続繊維強化材を有する複合材の場合、「ライン速度」は単純に、複合材の生産における繊維強化材の速度であり、ライン内での位置とは無関係である。製品が生産において伸縮性を持つ他の場合、「ライン速度」は、延伸とともに増加するので、ライン内での位置によって変化する。「急速に動く」という用語は、ここでは、「ライン速度」よりも大幅に速く動くことを意味する。

本特許文書で提示されたほとんどの実施形態において、マトリックスまたはＦＲＰと接触する「急速に動く」表面が存在する。これらは、ＦＲＰをポンプする、すなわちＦＲＰを加圧して動かすことからここで「剪断ポンプローラ」と呼ばれる、ＦＲＰに剪断力を加えることによって「急速に動く」表面の範囲内の速度でＦＲＰに流れを生成する駆動円筒形ローラの表面である。ただし、１つの表面上をフィルムが摺動する固定表面を有する装置を構成することによって、良好なウェットアウトもまた完全に実現され得る。この場合、（ライン速度で動き、急速には動かない）フィルムが、材料と接触する唯一の移動表面である。よって、高い剪断力を用いる新たな材料の開発に関する可能性が存在するが、低い速度および剪断力もまた有用であり得ることが明らかである。

繊維強化複合材の含浸において「剪断ポンプローラ」が用いられるシステムおよび方法が説明される。場合によっては、チョップド繊維がマトリックス内に浮遊し、マトリックスとともに移動し得る。他の場合、マットまたは連続繊維強化材が、マトリックスとともに含浸プロセスを通して牽引され、マトリックスと一体となって退出する。

本発明の典型的な装置実施形態は、連続または不連続繊維強化材によってＦＲＰを作るために用いられ得る。これは、互いに平行に配置され、両側にダムを有し、それらの間に「入口隙間」である隙間を有するローラのペアを含む含浸装置で構成され、「入口ローラ」と呼ばれるローラのペアの少なくとも一方は、「剪断ポンプローラ」を備える。「入出口」ローラと呼ばれるペアの他方のローラは、ライン速度でフィルムを搬送する無駆動アイドラロール、またはフィルムと接触しない他の「剪断ポンプローラ」のいずれかであってよい。「入口隙間」の反対側には、「入口ロール」、「入出口ロール」、サイドダム、「入口ローラ」に対し作用するスクレーパ、および元のローラのペアに平行な「搬送ローラ」によって境界を定められた、大部分が包囲された容積である「圧力領域」が存在する。「出口隙間」は、「搬送ローラ」と「入出口ローラ」との間の隙間である。この実施形態において、装置は、清掃のために速やかに開かれ分解され得るように設計される。

上の実施形態において、少なくとも１つのフィルムは、ＦＲＰをロール状に巻き取る時にＦＲＰがそれ自体に貼り付くことを防ぐために必要である。不連続繊維強化材の場合、ＦＲＰは自身を支持することができないので、ＦＲＰを搬送するためだけにもフィルムが必要である。フィルムは、「搬送ロール」によってＦＲＰの片面において「圧力領域」を通過してよく、または、「入出口ロール」がアイドラである場合、これが、ＦＲＰの他方の側面においてフィルムに「圧力領域」を通過させ得る。「搬送ロール」がフィルムに「圧力領域」を通過させる場合、フィルムは、「搬送ローラ」とスクレーパ台との間の狭小隙間である「フィルム隙間」を通って「圧力領域」へ入る。スクレーパは、「入口ロール」または「搬送ロール」のために必要であり、いずれか１つがフィルムを担持しない場合、ＦＲＰをともに維持し、ＦＲＰがロールに貼り付いてロールに付き纏うことを防ぐ。これらのロールがフィルムを担持する場合、またはそれらが固定式である場合、それらはスクレーパを必要としない。

上述の実施形態において、「入出口ロール」が、「圧力領域」を通ってフィルムを運ぶために用いられるアイドラロールである場合、これはフィルムより幅広でなくてはならず、サイドダムは、フィルムが「圧力領域」を通って供給され、妨げられずに「出口隙間」から出ることを可能にする、「入出口ローラ」の表面との小さな間隙を有する必要がある。

上述の実施形態において、「入口ロール」および「入出口ロール」の両方が「剪断ポンプローラ」である場合、「圧力領域」内に存在するフィルムのみが、「搬送ロール」の周囲を通って運ばれるフィルムである。ただし、梱包のための「出口隙間」の後、第２のフィルムが製品に押し込まれ得る。

上述の実施形態において、低い含浸圧力のみが必要である場合、含浸装置は、元々は清掃のためだけに意図されたように開かれ、出口隙間をなくすことができる。これは、第１の実装において行われ、入口および入出口ローラは固定に保たれた。これらのロールが固定である場合、どのロールにもスクレーパは必要とされず、入出口ロールにおけるスクレーパは取り除かれた。入口ロールにおける「スクレーパ」は、実際にこすり落とすのではないが、マトリックスを包含するために留められた。

本発明の他の装置実施形態は、間に隙間を有する平行な駆動「剪断ポンプローラ」のペア、または、その表面と平行なバッフルとの間に隙間を有する単一の「剪断ポンプローラ」のいずれかを含む浸漬タンク装置を備える。これらは、同様に浸漬されたサイドダムとともに、樹脂マトリックスのタンク内に浸漬される。繊維強化材は、サイドダムの間で隙間を通過する。この実施形態において、繊維強化材は連続でなくてはならない。マトリックス内に浸漬されたサイドダムおよびスクレーパの場合、それらはマトリックスの通路に対する効果的な障壁を形成する必要があるが、漏洩し得る任意のマトリックスは無害な方法でタンクへ戻るので、それらを完璧に封止する必要はない。また、同じ理由により、第１の実施形態とは異なり、サイドダム間の距離は、製品の幅より大きくあってよい。ＦＲＰを方向転換させるために、タンクの底部にアイドラロールが必要である。

１つの例セットにおいて、「剪断ポンプローラ（複数も可）」に対するスクレーパ（複数も可）とともに、「入口隙間」の下に、「圧力領域」が形成される。２つの「剪断ポンプローラ」の場合、「出口隙間」は２つのスクレーパの間にある。単一の「剪断ポンプローラ」の場合、「出口隙間」はスクレーパとバッフルとの間にある。

他の例セットにおいて、スクレーパおよび「出口隙間」は排除され、「入口隙間」の下の「圧力領域」をなくすことにより、所与の「剪断ポンプローラ」回転速度に関する「圧力障壁」が低減される。この例において、包囲された「圧力領域」は存在しないが、２つの「剪断ポンプローラ」間の「入口隙間」には、この隙間を通過することができる量よりも多くのマトリックスがこの隙間に押しやられるため、昇圧が存在する。よって、ここにもなお「圧力障壁」が存在する。この第２の例は、第１の例よりも単純であるため、いくつかの状況では、より信頼性が高いことがあり、圧力障壁は、ローラ（複数も可）の速度およびそれらの間の隙間を調整することによって広範囲にわたり調整可能である。

場合によっては、非常に限られた大きさの剪断力しか持ち得ないマトリックスに適した、追加のより単純な例において、２つの無駆動ローラは、ウェブとの接触によって回転する。これらのローラ間の隙間は、ローラ間の隙間に反比例して変化する圧力を有する圧力障壁の調整を行うために調整可能である。

１つの典型的な実施形態は、入口において液体マトリックスおよび繊維を受け入れる容積であって、容積の対向側面が、液体マトリックスおよび繊維が通過する隙間を形成するように合流し、少なくとも１つの円筒形表面が容積の対向側面の１つおよび隙間を形成する容積と、液体マトリックスおよび繊維と接触し、液体マトリックスおよび繊維に剪断力が伝達して隙間を通るように液体マトリックスおよび繊維を押し進め、液体マトリックス内に流れを生成し、隙間へ向かう前進方向において容積内で液体マトリックス内の圧力を増加させるように、隙間を通り液体マトリックスおよび繊維に対して動く移動表面と、を含む複合材処理装置を備える。容積内の増加した圧力は、同伴ガスが液体マトリックスおよび繊維に伴って隙間を通過することが妨げられるように、液体マトリックス内の同伴ガスに対する障壁を形成する。いくつかの実施形態において、液体マトリックスは、粘性液体マトリックスを備え、粘性液体マトリックスは、水よりも一桁以上粘度が高い。繊維は、チョップド繊維、またはたとえばチョップドストランドマット、織物ロービング、または連続平行繊維などの連続ウェブを備えてよい。

更なる実施形態において、容積は、少なくとも１つの円筒形表面と第２の円筒形表面との間に形成され得る。第２の円筒形表面は、固定ローラであってよく、移動表面は、隙間を通って少なくとも１つの円筒形表面に沿って動くフィルムを備えてよい。繊維は、液体マトリックスとともに入口へ進入し、液体マトリックスおよびフィルムとともに隙間を通過するマットを備えてよい。

いくつかの実施形態において、移動表面は、駆動ローラの表面であってよい。駆動ローラの表面は、互いに平行に配置され、間に隙間を形成するローラのペアの１つであってよい。隙間の後の液体マトリックスのための第２の容積は、ローラのペア、スクレーパ、サイドダム、および搬送ローラによって包囲されてよく、液体マトリックスのための第２の容積からの出口は、ローラのペアの１つと搬送ローラとの間に形成される。フィルムは、ローラのペアの１つにおいて隙間へ進入し、搬送ローラの周囲で出口を通過する。場合によっては、ローラのペアはどちらも駆動され得る。第２のフィルムは、搬送ローラとスクレーパとの間のフィルム隙間を通って第２の容積へ進入し、出口において、液体マトリックスおよび繊維をフィルムで挟む。

実施形態は、液体マトリックスが両側から漏れ出すことなく入口から隙間を通って移動するように維持する、容積の両側におけるダムを更に備えてよい。容積の両側におけるダムの各々は、ローラの端部および第２のローラの円筒形表面の境界を定めてよい。ダムの各々は、フィルムが各ダムを通過することを可能にしながら液体マトリックスを遮断するために、それ自体と第２のローラの円筒形表面との間にフィルム隙間を有してよい。

いくつかの実施形態において、装置は、液体マトリックスで充填されたタンク内に配置され得る。移動表面は、駆動ローラの表面を備え、少なくとも１つの円筒形表面は、タンク内の液体マトリックスに浸漬され、第２の表面に隣接して配置され間に隙間を形成する駆動ローラの表面であり、駆動ローラの両側におけるダムおよび第２の表面は、ローラ間の液体マトリックスを隙間内へ跳ね返らせ、繊維は連続であり、液体マトリックスとともに隙間を通過する。いくつかの実施形態において、第２の表面は、第２の駆動ローラを備えてよい。あるいは、繊維は連続性であってよく、アイドラローラのペアに接触して駆動させるためにタンクの外側で牽引され、移動表面は、アイドラローラのペアの少なくとも１つの表面を備え、少なくとも１つの円筒形表面は、アイドラローラのペアの少なくとも１つの表面であり、アイドラローラのペアは、タンク内の液体マトリックスに浸漬され、互いに平行に配置されてそれらの間に隙間を形成し、アイドラローラの間で液体マトリックスを隙間内へ跳ね返らせるためにアイドラローラのペアの両側にダムを有し、隙間は、アイドラローラのペアの少なくとも１つの位置を他方に対して調整することによって変更される。

単一の「剪断ポンプローラ」および単一のフィルムを用いる本発明の含浸装置実施形態を示す。 ２つのフィルムと、マトリックスを計測するためのドクターブレードおよび繊維を計測し切り刻むためのチョッパを有する単一の「剪断ポンプローラ」含浸装置とを示す。 「搬送ロール」によって「圧力領域」へ導入されるその右側において含浸装置へ進入する単一のフィルムを有する２つの「剪断ポンプローラ」と、不連続繊維を導入するためのチョッパとを用いる本発明の含浸装置実施形態を示す。 チョッパなしで示される図２Ａにおける含浸装置の等角図であり、よってこの図において、強化材もまた連続マットであってもよい。 ２つの「剪断ポンプローラ」および１つの搬送フィルムを用いる本発明の含浸装置実施形態を断面図で示す。補強のためにマットが用いられる。 ２つの「剪断ポンプローラ」および１つの搬送フィルムを用いる本発明の含浸装置実施形態を断面図で示す。補強のためにマットが用いられる。 図３Ａおよび図３Ｂに示すものと同じユニットであるが、「出口隙間」を通過後にＦＲＰに押し込められる第２のフィルムを有する。 図３Ａおよび図３Ｂに示すものと同じユニットであるが、「出口隙間」を通過後にＦＲＰに押し込められる第２のフィルムを有する。 図３Ａおよび図３Ｂに示すものと同じユニットであるが、「出口隙間」を通過後にＦＲＰに押し込められる第２のフィルムを有する。 低圧含浸のために開かれた同じユニットであり、このユニットは、織物ロービングが装置に皺を寄せ、詰まらせることを防ぐ、織物ロービングを導入するためのガイドを含む。 図３Ｆと同様に機能するが、ここでは用いられない駆動ローラを削除した、簡略化された装置の概略図である。 ２つの剪断圧力ローラおよびアイドラロールを有し、「圧力領域」を有さない本発明の浸漬タンク実施形態を示す。 ２つの剪断圧力ローラおよびアイドラロールを有し、「圧力領域」を有さない本発明の浸漬タンク実施形態を示す。 ２つの剪断圧力ローラおよびアイドラロールを有し、「圧力領域」を有さない本発明の浸漬タンク実施形態を示す。 マトリックスを押し進める方向に互いに対向して回転する「剪断ポンプローラ」を有する場合の樹脂を示す図４Ａの断面図である。 図５Ａと同じであるが、圧力領域を有し、２つのスクレーパが追加される。 図５Ｂと同じであり、様々な機能要素を示す符号を伴う。 符号がない、図５Ｃの拡大図である。 圧力室の閉鎖を伴う同じ構成である。 他の「剪断ポンプローラ」の代わりにバッフルに対して作用する単一の「剪断ポンプローラ」を有する構成である。剪断ポンプローラは、繊維強化材の移動方向に逆らって回転するように示される。 マトリックスを押し進める方向に回転する剪断圧力ロールとともに示される、図５Ｆと同じ構成である。 図５Ｇと同じであるが、１つのスクレーパを有する圧力室を有する。 図５Ｈの等角図である。 「剪断ポンプロール」、バッフル、ならびにスクレーパおよび「出口隙間」を有する「圧力領域」を示す、図５Ｈの詳細な断面図である。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。 アイドラローラのみを有し、駆動ローラを有さないが、低範囲にわたる剪断力を制御するためのサイドダムおよび調整可能隙間を有する、単純な低剪断含浸装置の概略図を示す。

Ｉ．概観
参照によって本明細書に組み込まれる、Ｆｒａｍによる米国特許第８，２７３，２８６号は、樹脂および繊維が加圧領域へ入る時にそれらから空気を排除することによって繊維（すなわち、チャージまたは強化材）を液体樹脂（すなわち、マトリックス）で含浸するために少なくとも１つのローラ（たとえば、キッカローラ）が用いられるシステムおよび方法を開示する。樹脂が最初にローラの入口領域へ、次にローラに隣接した「入口隙間」へ、次にローラの反対側にある「圧力領域」へ引き入れられる時、空気が押し出される。「圧力領域」は、ローラの出力側における包囲されたエリアである。樹脂および繊維の組み合わせは、その後、小さな「出口隙間」を通って押し出される。急速に回転する駆動ローラの表面と樹脂との間の剪断力は、マトリックスを加圧する駆動力を提供する。繊維は、連続（たとえばロールからのマット）、または不連続、たとえば粗切りであってよい。

ただし、従来技術のシステムおよび方法は、入口領域および「圧力領域」の良好な封込めおよび封止を可能にし、「含浸圧力」を増加させてＦＲＰに流れを集中させるという改良点を提供するものではない。加えて、上述のＦｒａｍの圧力含浸装置は、いずれもフィルムを支持しない２つのキッカローラ（駆動ローラ）を用いる１つの実施形態のみを説明する。フィルムを直接「圧力領域」へ運び込む手段は存在しない。

少なくとも１つの移動表面が、サイドダムおよびたとえばバッフル、スクレーパ、および他のローラ（複数も可）などの制限手段とともに、マトリックスに剪断力を加えて、マトリックスに流れを発生させ、円形表面（たとえば駆動、アイドル、または固定ローラ）に対し隙間を有する合流容積内へ繊維とともにマトリックスを押し付けることによって加圧することによって、繊維（すなわち、チャージまたは強化材）を液体樹脂マトリックスで含浸する、システムおよび方法が説明される。その結果生じる複合材から空気が排除され、結果として生じる「圧力障壁」によって追い出され、流れは、結果として生じる複合材を刺激し、マトリックスと繊維強化材とがより密接に接触した状態でより均一にする。繊維は、（たとえばローラから）連続、または不連続または粗切りであってよい。

本発明の実施形態は、複合材をより均一にし、複合材が形成されるところから空気を排除するために、剪断力を用いて、マトリックス内に圧力勾配および流れを発生させる。剪断力は、「ライン速度」を十分に上回り得る表面速度で駆動された、マトリックスと接触するまたは複数の回転ローラによって生じる。その結果生じる圧力は、ローラの速度と、マトリックスの粘度とを掛けたものに概ね比例する。ローラ（複数も可）における流れの速度は、ローラ（複数も可）の表面速度（複数も可）である。剪断力に由来する圧力勾配は、重力によるもの、または現在使用されている多くの含浸システムにおいて発生するものよりも大幅に大きくなり得るので、同伴空気は、未硬化樹脂から大幅に効果的に排除され得る。同様に、形成中の複合材における流れは、現在使用されている多くの含浸システムにおいて遭遇される流れよりも大幅に高速であり得る。第１に、気泡は非常に低い粘性を有するので、力は泡表面に対し厳密に垂直であり、すなわち、それらは剪断力ではないため、第２に、低質量により、空気は、マトリックスが影響を受けるようには慣性または重力の影響を受けないため、空気にかかる力は、マトリックスにかかる力とは異なる。この原理は、同伴空気をＦＲＰから押し出すために用いられる。留意すべき点として、複合材を含浸するために現在用いられているプロセスの多くは、繊維を明らかに損傷させることはない。このプロセスにおいても、繊維は穏やかに扱われ得て、劣化することはない。

本発明のいくつかの実施形態は、表面ではなく外側縁部におけるサイドダムの使用を可能にする、共通の幅を有する「入口ロール」および「入出口ロール」を用いる。この構成によると、「入口隙間」は、所与のサイドダムペアを用いて連続範囲にわたり調整され得る。また、更に漏洩を防止することによって「含浸圧力」を高め、マトリックス内に流れを封じ込めるために、Ｏ型リングシールがローラの側面に容易に追加され得る。加えて、以前は、小さな「入口隙間」はそこにデリケートなサイドダムを必要とし、これがフィルムを容易に変形させ、裂傷させ得たが、ローラの外側縁部におけるサイドダムの場合、そこに薄くデリケートな部品は存在しない。本発明の実施形態は、低減された集中度の剪断力で同じ含浸圧力を、または同じ集中度の剪断力でより大きな含浸圧力を実現するために用いられ得る２つの「剪断ポンプローラ」を用いる。よって、より穏やかな材料の取り扱いまたはより優れた含浸、またはこれら２つの特質の組み合わせが実現され得る。いくつかの実施形態は、加圧領域からの出口において第２のフィルムも導入し得る。

当業者が理解するように、本発明の様々な実施形態は、「圧力領域」に押し込まれた樹脂マトリックスおよびチャージに当てられる「剪断ポンプローラ」を用いる多くの様々な構成においてなされ得る。本発明の実施形態に関するいくつかの構成例は、次のセクションで定義される。

留意すべき点として、本発明の実施形態の主眼は、繊維強化ポリマ（ＦＲＰ）材料の製造にある。したがって、本明細書内の言語は、その用途に適用される。ただし、理解すべき点として、用いられる原理は、他の複合材料の製造にも一般に適用される。また、本明細書で用いられる場合の排除された「空気」は、他の気体または非粘性流体であってよい。
２．含浸および空気排除原理

本発明の実施形態は、シート形状の繊維強化ポリマ（ＦＲＰ）材料の連続製造において繊維を樹脂マトリックスで含浸するために用いられ得る。ＦＲＰ製造中、液体樹脂マトリックスは繊維強化材と結合され、ここで、液体樹脂マトリックスは、繊維強化材と結合するために繊維強化材を含浸（または「ウェットアウト」）する必要がある。繊維強化材を有する樹脂マトリックスは、その後、熱硬化性マトリックスの場合は硬化、熱可塑性マトリックスの場合は冷却することにより、最終製品内で固体になる。場合によっては、ＳＭＣ製造と同様、本特許のプロセスにおいて製造される材料は、最終製品を成形するために用いられる中間製品である。これらの場合、経時的に、成形に適しているが繊維強化材に含浸することはない粘度に到達するように、増粘剤が樹脂に添加される。樹脂マトリックスは、ＦＲＰ内で繊維強化材を一体に結合し、または少なくとも、繊維強化材を包み、材料形状、硬度、および他の特性を付与する。繊維強化材は、製品に強度および剛性を付与する。

空気は、ＦＲＰの特性を最適化するためにウェットアウト中にＦＲＰから排除されなくてはならない。本発明の実施形態は、多くの既存のプロセスを用いて実現され得る程度よりも強力にＦＲＰから空気を排除する手段を提供し、より高い繊維含有率および／またはより大きいマトリックス粘度を可能にする。逆に、空気排除の能力は、少ない剪断力で所望のウェットアウトを実現するために制御された方法で抑圧され得る。ここで提示される分析における全てのＦＲＰプロセスにおける空気排除のための手段は、液体樹脂マトリックスが繊維強化材を含浸する時に剪断力によって液体樹脂マトリックス内に生じる圧力勾配である。ただし、本発明の実施形態は、多くの他の含浸プロセスにおいて遭遇され得るものより大幅に大きい圧力勾配を発生させるために、粘性液体樹脂マトリックスと、マトリックスと接触する「移動」表面との間の剪断力を用いる。したがって、本発明の実施形態は、含浸中に液体マトリックスから空気を除去するために大幅に大きい圧力を生じさせ得る。あるいは、高い剪断力が維持され得ない場合、これらの方法は、より効率的に剪断力を管理することによるより穏やかな取扱いでウェットアウトを改善するために用いられ得る。

移動表面と接触している粘性液体は、表面とともに移動し、表面に隣接した液体を搬送する。その結果、移動表面の直近エリアの外側において、液体に流れが生じる。現在の方法においてそうであるように、「入口」および「出口隙間」およびサイドダムによって、液体の流動が制限される場合、液体の大部分は隙間を通過することができず、後戻りして再循環する必要がある。これが、マトリックスと繊維強化材との間のより均一かつ密接な接触をもたらす、圧力増加および全体を通した流れの源である。

この段落および以下の２つの段落において、グラスに入った水の日常の例および既知の浮力原理から始めて、圧力変化に起因する液体の中の空気にかかる力を定性的に分析する。上述したように、液体の中には流れも存在し、気泡は、これらの流れを追う傾向を有するが、ここでは、この流れとは別に泡にかかる力を考慮する。液体内の（重力下での）圧力は、表面からの深さに伴って増加する。（グラス、浴槽、湖などにおける）水の上面は、大気圧であるが、所与の深さにおける圧力は、表面下の深さに比例して増加する。圧力は、液体の密度および重力の加速度の両方で乗算された深さに等しい。水の中の圧縮不可能な（ここではそれ自体が圧縮不可能であると考えられ得る）物体は、水中の圧力変化による浮力を受ける。アルキメデスの原理によると、この浮力は、移動した水の重量に等しいことが知られており、深さとは無関係である。単純な計算により、この浮力は、実際は、物体表面より上で反対方向に平均された水中の圧力の勾配に比例することが示される。同じ浮力計算が、動いている水の場合にも適用され、この場合、圧力は、単純に深さの関数としての場合よりも複雑な方法で変化し得る。グラスに入った水において、圧力は、深さに伴ってのみ変化する。これは、水の密度と、重力の加速度と、深さとを掛けることによって求められる。よって、最大増加の方向における圧力の空間導関数である圧力勾配は、下向きのベクトルであり、その値は、重力の加速度で乗算された水の密度である。

液体内の気泡の挙動は、そのサイズが圧力と逆方向に変化し、所与の深さにおける気泡内の圧力が一定であり、気泡が固定の形状を有さないことにより、圧縮不可能な物体の挙動よりも複雑である。ただし、液体内の気泡にかかる力のより詳細な定性的説明は、ここでは必要ではない。圧力は、圧縮不可能な物体に作用するのと同じように気泡を浮かすように作用する。また、樹脂マトリックスとの比較において、空気は無視できる密度および粘度しか有さないので、空気は、樹脂マトリックスのように意味のある重力、慣性力、および剪断力を受けない。

ＦＲＰ製造において、樹脂マトリックスは、移動中の粘性液体であり、一般に、マトリックスに作用する重力よりも大幅に大きい力が存在する。一般に、既存のプロセスにおいて、最初は大気圧であるＦＲＰが高圧領域を押し通され、その後、最後の段階で大気圧に再び戻される、１または複数の段階が存在する。上述したように、低圧から高圧への移行における圧力勾配が、ＦＲＰの高圧領域（複数も可）から空気を押し出すために、これらのプロセスにおいて、空気は樹脂マトリックスから除去される。これらのプロセスの全てにおいて、高圧領域から追い出される時に空気が逃れるための経路が存在する。ここでは、高圧領域の圧力を「含浸圧力」と呼ぶ。既存の技術は、これらの用語および以下の原理を用いて分析することができるが、そのような考察は、本出願独自のものである。

複合材含浸のための従来の第１の技術を再び参照すると、これらのプロセスの初期含浸段階において、「含浸圧力」は、単に繊維を樹脂漕に浸漬することによる重力である。最終的な絞りにおいて、「含浸圧力」は上昇してよく、制約によってマトリックスにかかる剪断力に起因する樹脂内の流れが存在し得る。しかし、これらの剪断力および流れは、「ライン速度」付近である、固定の制約に対する複合材の相対速度でしか生じない。

ＦＲＰパネル製造において用いられる複合材含浸のための従来の第２の技術を再び参照すると、これらのプロセス全てにおいて、ベッド内の「含浸圧力」は、樹脂層が非常に薄く、その粘度が低いために、大気圧よりもごくわずかに大きいだけである。加熱ベッドの端部において、トップフィルムは次に、ニップロールを用いてそこで押し付けられ、樹脂内の流れ、および空気に対する追加の小さな、しかしより大きい「圧力障壁」を形成する剪断力がＦＲＰに加わる。重ねて、樹脂に対するニップロールの相対速度は、概ね「ライン速度」以下であるため、圧力障壁および流れ速度もまた小さい。

プリプレグ製造において用いられる複合材含浸のための従来の第３の技術を再び参照すると、事実上、ここでもまた、各ニップ点における「圧力障壁」および樹脂の流れが存在する。圧力障壁は、第１のニップ点において空気を直接排除し、後続するニップ点から排除された空気は、側部から逃れる必要がある。「圧力障壁（複数も可）」および流れは、繊維および樹脂と接触して前進する剥離紙の剪断力に起因するものであり、剪断力がない場合、ニップ点を通って樹脂を押し進めるものが存在しない。ただし、剥離紙、繊維、および樹脂は全て、ライン速度付近で移動しているため、それらの相対速度はライン速度よりも小さく、結果として生じる剪断力および流れ速度は低い。

ＳＭＣ製造において用いられる複合材含浸のための従来の第４の技術を再び参照すると、コンパクタの各ニップ点において空気を排除するマトリックス「圧力障壁」内に生じる流れが存在する。これらは、空気が直接排除され得る入口点に端を発し、空気が側部から退出またはより長い経路を発見し得る、上側ローラと下側ローラとの間の全てのニップ点を含む。「含浸圧力」は、直接測定可能ではないが、下側および上側ローラをともに押す力を制御することによって制御することができ、平均が計算され得る。この力は、大きすぎる場合、ＳＭＣが締固めデバイスへ入ることが妨げられ、またはＳＭＣが側部から絞り出されるため、制限される。ＳＭＣをコンパクタへ押し込むフィルムの速度は、「ライン速度」に非常に近いので、ここでもまた、相対速度は「ライン速度」よりも小さく、それに応じて低い剪断力および流れ速度を伴う。

ＦＲＰパネル製造において用いられる複合材含浸のためのＴＭＣ製造またはＨｅｉｎｚｍａｎｎ技術における従来の第５の技術を再び参照すると、「含浸圧力」および流れは、ＦＲＰと接触しているロールが高速で回るために他よりも大きい。しかし、処理における他の欠陥が、結果として生じる材料を劣化させ得る。これらの技術は、不連続チョップド繊維強化材を用いる必要があり、連続マットまたは繊維を用いることができない。ＦＲＰは、隙間の反対側においてウェットアウトローラからこすり落とされ、または振り落とされ、その後、集められて梱包される必要がある。ＴＭＣプロセスにおいて、ＦＲＰは、プラスチックフィルムに振り落とされ、別のフィルムが上面に載せられ、製品は平坦に巻かれ、一定長さに切断される。Ｈｅｉｎｚｍａｎｎ技術において、ＦＲＰはこすり落とされ、押し出され、一定長さに切断される。どちらの場合も、ローラ間の隙間において第１の「圧力障壁」を通過した後、ＦＲＰは、ここで提示する技術でのように圧力領域へ入るのではなく、含浸ローラの下で瞬時に大気圧に戻る。これにより、隙間内の圧力が低下し、その結果、「圧力障壁」が低減する。どちらの場合も、含浸後の製品は、１片ずつの間に空気を有して不連続であり、梱包および空気除去のために圧縮される必要がある。この圧縮が、材料を劣化させ得る。

Ｆｒａｍによる米国特許第８，２７３，２８６号を再び参照すると、入口領域内の「圧力障壁」は、「入口隙間」における「圧力領域」からの背圧が存在するため、増加する。繊維は、連続または不連続または両方であってよい。

ここで、Ｓａｌａｚａｒ他による米国特許第８，９１５，２１１号を再び参照すると、「含浸圧力」は、ローラによって付与される剪断力によって制限され、ローラは「ライン速度」で動いているために樹脂を高圧へ押し込むことができる追加の力がほとんどない。またここで、Ｂｒｕｅｓｓｅｌによる国際特許出願公開第ＷＯ２０１１／１６１０７４号に関して、「含浸圧力」および流れ速度は、「ライン速度」におけるローラによって付与される剪断力によって制限される。

液体にかかる剪断力は、液体と接触している表面の速度（複数も可）および液体の粘度に比例する。これらの表面と接触している液体における流れの速度は、表面の速度に近い。多くの製造プロセスにおけるＦＲＰの表面速度（複数も可）は低速であり、一般にプロセスの「ライン速度」、すなわち、通常の歩行速度未満であり、ＦＲＰとＦＲＰが接触する表面との間の相対速度は、それよりもかなり低い。その結果、これらのプロセスの多くにおいて、「含浸圧力」は、絶対項における大気圧よりもわずかに高いのみであり、流れの速度も同様に低い。したがって、これらのプロセスにおいて、マトリックスにおける高い粘度または高い繊維含有率に打ち勝って、樹脂マトリックスを刺激し、そこから空気を除去する能力は、制限される。

本発明の実施形態は、現在のプロセスにおいて遭遇されるものより高いマトリックス粘度および繊維含有率の限度を有するＦＲＰ材料をウェットアウトするための技術を提示する。本発明の実施形態に関する本質的特徴は、ＦＲＰと接触しているプロセス表面速度を、プロセス中の「ライン速度」を十分に上回り得る点まで高めることにより、非常に強くなり得る剪断力および流れを発生させることを含む。これらの高い剪断力が上昇圧力を発生させ、流れが消散せず集中するように、ＦＲＰは、少なくともサイドダムおよび狭小隙間によって閉じ込められる。高い表面速度は、樹脂マトリックスを閉込め空間に押し込むように配置された、ＦＲＰと接触して非常に高速で回転し得るローラに由来する。閉込めは、ローラの両側にあるダム、スクレーパ、および追加のローラ（複数も可）とともに、これらのローラの表面により実現され得る。したがって、結果として生じる絶対「含浸圧力」および流れ速度は、現在使用されている多くのＦＲＰプロセスのそれらよりも一桁以上高くなり得る。

留意すべき点として、説明されるプロセスの下で、不連続繊維は、連続繊維強化材とは異なって挙動する。どちらの場合も、それらはマトリックス内へ導入され、マトリックスによってウェットアウトされる。しかし、連続繊維強化材は、基本的にライン速度でプロセスを通して牽引され、マトリックスはそれによって搬送され得る。対照的に、不連続繊維は、マトリックスを搬送することができない。したがって、不連続繊維は、マトリックスとともに移動し、一般に、樹脂マトリックスおよび繊維の両方を搬送するために不連続繊維とともにフィルムが用いられる。
３．複合材含浸のための応用

粘性液体マトリックスを加圧し、液体にかかる剪断力を用いてそこに流れを発生させ、昇圧下で液体を含浸装置に押し通すために、繊維強化複合材の含浸において駆動ローラが用いられるシステムおよび方法が説明される。場合によっては、不連続またはチョップド繊維がマトリックス内に浮遊し、マトリックスとともに移動する。そのような実施形態の場合、液体マトリックスは、粘性液体マトリックスを備え、ここで粘性液体マトリックスは、少なくとも水よりも一桁以上粘度が高い。これらの場合、含浸装置内にフィルムが導入され、結果として生じる複合材を運び出すために用いられる。他の場合、マットまたは連続繊維が含浸装置を通って牽引され、マトリックスによって含浸された状態になり、マトリックスは、形成されたばかりの複合材の一部として連続繊維によって引き抜かれる。連続強化材の場合、梱包のために必要であれば、繊維強化材と同じ速度で移動するフィルムが含浸装置内に導入され得るが、プロセスはフィルムなしでも動作し得る。また、多くの場合、結果として生じる経済効果のために、２つのフィルムではなく単一のフィルムが用いられ得る。

マットまたは連続繊維強化材を有する本発明の典型的な実施形態は、互いに平行に配置され、そこに隙間（「入口隙間」）を有する「入出口ロール」および「入口ロール」を含む含浸装置を備え、「入口ロール」は、高速移動「剪断ポンプロール」であり、「入出口ロール」は、別の「剪断ポンプロール」、または、複合材が貼り付いて付き纏うことを防ぐためのスクレーパ、材料の両側におけるサイドダム、ローラのペアに並行であり、出口エリアに配置された「搬送ローラ」を伴う、おおよそ「ライン速度」で材料とともに動くアイドラローラのいずれかであってよい。マトリックス、および不連続の場合の繊維強化材は、ライン速度よりも大幅に速い流れを有するが、「ライン速度」におけるベクトル平均速度を有するローラを通って動かされる。「圧力領域」は、「入口ロール」、「入出口ロール」、「搬送ロール」、サイドダム、およびスクレーパの表面によって形成される。フィルムは、「搬送ローラ」とスクレーパ台との間の小さな隙間を通って「搬送ローラ」の周囲で「圧力領域」へ導入され、フィルムは、複合材を「出口隙間」から梱包用の巻取り機へ運び出す。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の含浸装置実施形態例を示す。両方の図が、含浸装置にマトリックスおよび繊維を供給するためのフィルムの使用を示す。図１Ｂは、高圧容積へ供給された第２のフィルムを示すが、図１Ａは、そのフィルムを用いない代わりに「搬送ロール」上のスクレーパを用いる同じプロセスを示す。図１Ａにおけるスクレーパは、ＦＲＰが「搬送ローラ」に貼り付くことを防ぎ、代わりに、ＦＲＰがフィルムから離れないように強制する。ただし、図１Ｂに示すフィルムを用いる場合、スクレーパは不要である。図１Ｂにおいて、フィルム上のマトリックスの層を計測するドクターブレードが示される。ドクターブレードの後、繊維カッタが、マトリックスコーティングの幅にわたりチョップド繊維を落とす。これらの後に、「搬送ローラ」上の高圧容積（第２の容積）へ導入された第２のフィルム（図１Ａには不図示）を有する単一の「剪断ポンプローラ」を有する含浸装置が続く。梱包用の巻取り機が示される。「入口ローラ」である「剪断ポンプローラ」は、これらの図において無駆動ローラである「入出口ローラ」の右上にある駆動ローラであり、２つのローラが一体となって「圧力領域」への入口を形成する。図１Ｂにおいて、搬送ローラは、高圧容積へフィルムを搬送し、現在含浸中のＦＲＰは、２つのフィルムの間の「出口隙間」を通って巻取り機へ搬送される。ただし、「出口隙間」および「圧力領域」内へ続く増加した圧力は、同伴ガスが粘性マトリックスとともに「出口隙間」へ進入することが妨げられるように、樹脂内の同伴ガスに対する障壁を形成する。これによって、繊維内への樹脂の含浸が増加することにより、結果として生じる複合材料の特性が向上する。

図１Ａにおいて、アイドラローラである「入出口ローラ」の周囲に単一のフィルムが導入され、搬送ローラ上のスクレーパは、ＦＲＰがそれに付き纏うように維持する。マトリックスおよび繊維は、左から入ってくるフィルムの上に計測しながら供給される。これらの構成要素を計測するための方法はここに示されないが、マトリックスを計測しながら供給するためのドクターブレード、および図１Ｂに示すように不連続繊維を計測しながら供給および分配するチョッパであってよい。連続繊維強化材も導入されてよく、マトリックスは、ドクターブレードによって分注される代わりに、計測ポンプを用いて投入され、製品の幅全体に広げられ得る。図１Ｂにおいて、「入出口ロール」はフィルムを搬送するアイドラロールであり、「搬送ロール」は、ＦＲＰをフィルムから離れないように維持し、かつ「搬送ロール」に貼り付いて付き纏わないようにするためのスクレーパを有する。

図１Ａの装置１００は、（繊維１１２が混合した）液体マトリックス１０８が進入する、互いに平行に配置された２つのローラ１０４（入出口ロール）、１０６（剪断ポンプローラ）間の合流空間として容積１０２を画定する。この入口は単に、ローラ１０４、１０６間の入口空間にすぎない。容積１０２の両側は、液体マトリックス１０８および繊維１１２が通過するための隙間１１０（入口隙間）を形成するように合流する。図示するように、ローラ１０４、１０６の２つの円筒形表面は、容積１０２の両側およびその間の隙間１１０を形成する。この実施形態において、移動表面は、液体マトリックス１０８および繊維１１２と接する剪断ポンプローラ１０６の円筒形表面であり、隙間１１０を通って液体マトリックス１０８および繊維１１２に対し移動することにより、液体マトリックス１０８および繊維１１２に剪断力が伝達し、隙間１１０を前進するように液体マトリックス１０８および繊維１１２を押し進め、液体マトリックス１０８に流れを生成し、前進方向において、容積１０２内の液体マトリックス１０８内の圧力を増加させる。容積１０２内の増加した圧力は、同伴ガスが液体マトリックス１０８および繊維１１２とともに隙間１１０を通過することが妨げられるように、液体マトリックス１０８内の同伴ガスに対する障壁を形成する。この実施形態例において、液体マトリックス１０８のための第２の容積１１６は、隙間１１０の後にあり、ローラのペア１０４、１０６、スクレーパ１１４、（ローラ１０４、１０６の両端にある）サイドダム、および搬送ローラ１１８によって包囲され、液体マトリックス１０８のための第２の容積１１６からの出口１２０（出口隙間）は、ローラのペアの１つ１０４と搬送ローラ１１８との間に形成される。当該技術分野で知られるように、スクレーパ１１４は、円筒形ローラ表面が通過する時にそこから液体マトリックス１０８を拭き取るための、ローラと接触するブレードを含む。液体マトリックス１０８内の圧力は、この第２の容積１１６において、より高い。フィルム１２２は、ローラペアの１つ１０４において隙間１１０へ進入し、搬送ローラ１１８において（第２の容積１１６の）出口１２０を通過する。図１Ｂの実施形態は、出口１２０において第１のフィルム１２２とともに液体マトリックス１０８および繊維１１２を挟み込むための搬送ローラ１１８とスクレーパ１１４との間のフィルム隙間へ進入する第２のフィルム１２４も含む。図１Ａおよび図１Ｂの実施形態の他の要素は全て同一である。

図２Ａおよび図２Ｂは、２つの「剪断ポンプローラ」、単一のフィルム、および図２Ａのみに示される繊維チョッパを用いる本発明の含浸装置２００の実施形態を示す。図２Ａにおいて、左側の巻取り機がＦＲＰを梱包する。留意すべき点として、最終スクレーパは、理想的には、出口隙間の隣に位置すべきである。図１Ａに示す配置は、左側剪断ポンプローラからのフィルムへの過大応力を生じさせ得る。図２Ｂにおいて、マトリックスを計測しながら供給するための手段は示されないが、インラインミキサを貫通する計測ポンプであってよい。この実施形態において、入口を形成する両方のローラが駆動される、すなわち、「剪断ポンプローラ」である。ここでもまた、「搬送ローラ」は、フィルムを「圧力領域」内へ取り込み、左側の「出口隙間」を通って現在含浸中のＦＲＰを搬送する。左側にある「入出口ロール」上のスクレーパは、ＦＲＰがこれに貼り付くことを防ぎ、フィルムから離れないように強制する。本明細書における全ての実施形態と同様、「入口隙間」まで続く「圧力領域」内の増加した圧力は、同伴ガスが粘性樹脂とともに「入口隙間」を通過することが妨げられるように、樹脂内の同伴ガスに対する障壁を形成する。また、高速ロールによって生じた流れは、複合材を刺激し、より均一なものにする。したがって、繊維への樹脂の含浸が改善される。

図２Ａおよび図２Ｂの実施形態において、剪断ポンプローラ２０２Ａ、２０２Ｂのペアの円筒形表面の間に容積１０２が形成される。繊維１１２は、上方のカッタから液体マトリックス１０８へ落とされる。ローラ２０２Ａ、２０２Ｂ間の隙間は、図１Ａおよび図１Ｂのローラ１０４、１０６間の隙間のように機能するが、ここでは両方のローラ２０２Ａ、２０２Ｂが駆動される。この場合、各ローラ２０２Ａ、２０２Ｂの表面は、液体マトリックス１０８および繊維１１２を隙間１１０へ駆動するための移動表面を提供する。ここでもまた、第２の容積１１６は、ローラ２０２Ａ、２０２Ｂのペア、スクレーパ１１４、（ローラ１０４、１０６の両側にある）サイドダム、および搬送ローラ１１８に包囲された隙間１１０の後で用いられ、液体マトリックス１０８のための第２の容積１１６からの出口１２０（出口隙間）は、ローラのペアの１つ２０２Ａと搬送ローラ１１８との間に形成される。図２Ｂは、サイドダム２０４Ａ、２０４Ｂを示す。図示するように、サイドダム２０４Ａ、２０４Ｂは、剪断ポンプローラの１つ２０２Ａの円筒形表面に対向して、かつ他方の剪断ポンプローラ２０２Ｂの側面に対向して配置される。

図３Ａ～３Ｅは、２つの「剪断ポンプローラ」、および（１つの待機予備マットロールを伴う）１つのマットおよび１つの搬送フィルムを用いる本発明の含浸装置の実施形態を示す。この実施形態において、繊維強化材は、マットローラから２つの駆動ローラ間を直接、高圧容積の入口へ供給される連続マットである。チョップド繊維は導入されないが、あってもよい。マットの繊維の含浸は、同伴空気を防止し、または「圧力領域」へ進入することを防ぐ「圧力障壁」によって改善される。また、高速ローラによって生じたマトリックス内の流れにより、マトリックスは、繊維マットとより密接に接触する。樹脂含浸マットは、巻取り機によって、フィルムとともに「出口隙間」から引き抜かれる。「入出口ロール」に対して作用するスクレーパは、マットおよびフィルムから離れないようにマトリックスを強制し、マトリックスが「入出口」ロールに貼り付いて付き纏うことを防ぐ。図３Ｄおよび図３Ｅは、構造フレームを完備した、同じ実施形態の両側面からの図を示す。これらの実施形態は、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、および図２Ｂの実施形態において説明したように機能する要素を用い、当業者によって理解されるように、図内で識別可能である。

図３Ｆは、図３Ａ～３Ｅの実施形態と類似しているが、低圧含浸のために開かれたユニットである。この場合、第２の容積は、十分な含浸として用いられず、第１の隙間１１０を通って空気排除が発生する。ここで、ユニットは、織物ロービングが装置に皺を寄せ、または詰まらせることを防ぐ、織物ロービングを導入するためのガイド３００を含む。図３Ｇは、図３Ｆと同様に機能するが、ここでは使用されない駆動ローラを排除する、簡略化された装置の概略図である。

図３Ｇは、第１の容積１０２、および２つの円筒形表面３１２Ａ、３１２Ｂの間の単一の隙間１１０のみを用いる、低圧含浸のためのデバイス３１０の概略図である。この場合、ローラ３１２Ａ、３１２Ｂは固定式であってよいことに留意することが重要である。具体的には、左側ローラ３１２Ａは固定式であり得るが、右側ローラ３１２Ｂは、固定式または単にアイドリング状態（その表面上を走るフィルム３１４とともに動く）のいずれかであってよい。フィルム３１４およびマット３１６材料はいずれも、駆動製品巻取り機３１８に引き上げられる。したがって、フィルム３１４は、上述したように空気を排除しマットを含浸するために隙間１１０を加圧する液体マトリックス１０８と接触する移動表面である。また、マット３１６は、隙間１１０を通るようにマトリックス１０８を引き出し、同じ効果をもたらす。この概略図は、容積１０２の両側にあるダム３２０の輪郭も示す。上記実施形態と同様、ここでは、ダムは、１つのローラ３１２Ａの側面に対向し、かつ他方のローラ３１２Ｂの円筒形表面に対向して走行する。ダム３２０とローラ３１２Ｂの円筒形表面との間に小さなフィルム隙間３２２が存在し、フィルム３１４が通過することを可能にするとともに液体マトリックス１０８が通過することを妨げる。したがって、フィルム３１４の縁部は、このフィルム隙間３２２からダム３２０の向こう側まで伸長する。
４．浸漬タンクに関する応用

このセクションにおいて、浸漬タンクシステム内で「剪断ポンプローラ」を用いる様々な例の詳細な説明が記述される。浸漬タンク用途の場合、液体（たとえば樹脂）のタンク内で「圧力障壁」および流れが形成され、連続繊維またはマットは、流れを有するこの「圧力障壁」を通過する。いくつかの実施形態において、「入口隙間」まで続く圧力勾配を増大させ、マトリックス内の閉じ込められた流れとともに後続する高「圧力領域」を生成する、「入口隙間」後の「圧力領域」を形成するために、スクレーパ（複数も可）が用いられる。他の実施形態において、スクレーパは用いられず、包囲された高「圧力領域」は存在しない。ただし、「剪断ポンプローラ」は、「入口隙間」を通過し得るマトリックスより多くのマトリックスを「入口隙間」へ押し進めるので、２つの「剪断ポンプローラ」または１つの「剪断ポンプローラ」およびバッフルのいずれかによって形成された隙間へと続く「圧力障壁」および流れは、なお存在する。隙間の後、マトリックス内の圧力および流れは、「剪断ポンプローラ」がマトリックスを剥ぎ取るとともに再び下へ降りる。「圧力障壁」を用いる同伴空気の排除の原理は、浸漬タンクの場合も、流れの源として上述された圧力含浸装置と同じである。

本発明の浸漬タンク実施形態は、互いに平行に配置され、間に隙間を有する駆動「剪断ポンプローラ」のペアと、中に浸漬されたローラのペアを有する流体のタンクと、サイドダムと、「ライン速度」でローラのペアの間を通る連続繊維強化材とを備えてよい。一例において、「圧力領域」は、繊維強化材が通過する小さな「出口隙間」によって分離された各含浸ローラ上のスクレーパによって、２つの「剪断ポンプローラ」の下でマトリックス内に形成される。他の例において、スクレーパおよび「出口隙間」は除かれ、よって包囲された「圧力領域」は形成されないが、入口隙間における「圧力障壁」およびその両側でマトリックス内に生じる流れは、なお存在する。

「圧力領域」がない場合、「入口隙間」における圧力は低減されるので、それに応じて空気に対する「圧力障壁」は、任意の所与の「剪断ポンプローラ」回転速度に関して減少する。しかし、この装置は、より単純、かつより信頼性が高くなり得る。加えて、「圧力領域」を有さない「圧力障壁」における欠点は、より高いローラ速度によって克服され得る。「圧力領域」がある場合もない場合も、この装置はマトリックスに浸漬されるので、スクレーパおよびサイドダムは、ローラに対して緊密にシールする必要はなく、なぜなら、少量の漏洩は一端を上にして無害な方法でマトリックス内へ戻るためである。

本発明のこの実施形態の場合、「圧力障壁」は、空気の排除に効果的であり得るが、液体樹脂マトリックス内の流れもまた、排除された空気を取り除くために重要であり得る。本発明のこの実施形態は、その機能を最適化し、場合によっては予期せぬ問題を克服するために調整され得る様々な構成およびパラメータを提供する。予期せぬ問題の例として、既存の処理器ラインにおいて、時折、繊維強化材からの空気が、欠陥を防ぐために通布経路に入ってはならない泡をタンク内に形成することがある。最初に、各ローラはどちらの方向にも回転し得るので、考えられる４つのローラ回転の構成が存在し、その各々が「圧力領域」を有して、または有さずに実装され得るので、８つの構成が可能である。図６Ａ～６Ｈは、上述したような本発明の浸漬タンク実施形態に関する８つの可能な構成を示す。また、各ローラの速度は、連続的かつ独立的に変化し得る。存在する場合「出口隙間」および「入口隙間」は、両方が調整されてよく、マトリックスの表面下での含浸装置の深さは、変更され得る。

図４Ａおよび図４Ｃは、浸漬タンク内への含浸インサートをそれ自体で示す図４Ｂとともに、浸漬タンク実施形態を示す。図５Ａ～５Ｊは、本発明の浸漬タンク実施形態の追加の細部を示す。図５Ａは、繊維マット５０４と同じ向きで反対方向に（駆動）回転する２つの「剪断ポンプローラ」５０２Ａ、５０２Ｂが、後続するスクレーパまたは包囲された圧力領域（第２の容積）なしで動く装置５００を示す。図５Ｂは、「剪断ポンプローラ」５０２Ａ、５０２Ｂに後続する２つのスクレーパ５０６Ａ、５０６Ｂ（繊維マットおよび液体マトリックスに突き当たる縁部）および包囲された「圧力領域」５０８（マット５０４を包囲する左右のスクレーパ５０６Ａ、５０６Ｂによって形成された第２の容積）を示す。スクレーパ５０６Ａ、５０６Ｂは、上の剪断ポンプローラ５０２Ａ、５０２Ｂと接触する縁部を有し、下に出口を有する構造によって支持され、加圧された第２の容積５０８を形成する。図５Ｃは、図５Ｂの断面図であり、図５Ｄは、図５Ｃの拡大詳細図であり、図５Ｄは、左右のスクレーパ５０６Ａ、５０６Ｂを示す更に拡大された「圧力領域」５０８である。

図５Ｆは、布５０４の含浸を支援するためにバッフル５１２に対して繊維マット５０４（布）の移動と反対方向に、すなわち上向きに駆動された単一の「剪断ポンプローラ」５１０を示す。これは、マット５０４の移動方向に対しマトリックスを押し付ける方向に回転する「剪断ポンプローラ」とともに示される。マット５０４は、装置５００から引き抜かれる。対照的に、図５Ｇは、反対方向に駆動される「剪断ポンプローラ」５１４を有する、図５Ｆに示すものと同じ装置を示す。図５Ｈは図５Ｇと同じであるが、「剪断ポンプローラ」５１４に後続して単一のスクレーパ５０２Ａとバッフル５１２との間に形成された「圧力領域」５０８が追加される。図５Ｉは、図５Ｈの実施形態の等角図であり、図５Ｊは、図５Ｈの実施形態の「圧力領域」の詳細図である。

図７は、アイドラローラ７０２Ａ、７０２Ｂ（または固定ローラ）のみを有し、液体マトリックスのタンク内に駆動ローラがなく、低範囲にわたる剪断力を制御するためのサイドダムおよび調整可能隙間を有する単純な低剪断含浸装置７００の概略図を示す。これは、低い剪断力および低圧障壁のための構成である。したがって、動作は、図３Ｆおよび図３Ｇにおいて上述した実施形態と同様であるが、当業者には理解されるように、液体マトリックスのタンク内に浸漬された容積を有する。ここで、液体マトリックスは、一般に粘性ではない。ローラ７０２Ａ、７０２Ｂの両者は、タンクを通り牽引されるマット７０４（ウェブ）によって駆動されるので、ライン速度で動く。これらは移動表面であり、タンク内の樹脂に対してマットと共に動く。含浸圧力障壁は、ローラ７０２Ａ、７０２Ｂの間の隙間７０６を調整することによって調整される。含浸圧力は、この隙間７０６を低減することによって増加するが、この隙間７０６を十分に増大させることにより実質的にゼロまで低減され得る。隙間７０６は、下側ロールを定位置に保ちながら上側ローラを上下に動かすことによって調整可能である。ローラの両側にあるサイドダムは、液体マトリックスがニップ点（隙間７０６）を通過するように制約されること、またはローラ７０２Ａ、７０２Ｂの側部へ向かわずに戻り再循環することを確実にする。

これをもって、本発明の好適な実施形態を含む説明を終了とする。本発明の好適な実施形態を含む上記説明は、例示および説明を目的として提示された。網羅的であること、あるいは本発明を開示された形式そのものに限定することは意図されない。上述した教示の範囲内で、多数の修正および変更例が可能である。本発明の追加の変更例は、以下に示す特許請求の範囲に記載された本発明の概念から逸脱することなく考案され得る。

Claims (9)

1. 複合材処理装置であって、
   入口において液体マトリックスおよび繊維を受け入れる包囲された容積であって、前記包囲された容積の対向側面は、前記液体マトリックスおよび前記繊維が前記包囲された容積に入るための入口隙間と、前記液体マトリックスおよび前記繊維が前記包囲された容積を出るための出口隙間とを形成する、包囲された容積と、
   前記液体マトリックスと接触し、前記液体マトリックスに対して動く移動表面であって、それによって、前記移動表面から前記液体マトリックスに剪断力が伝達され、前記出口隙間に向かって前記液体マトリックスを押し進め、そのため、反応中に、前記出口隙間に向かって前記包囲された容積内で前記液体マトリックス内の圧力を増加させる、移動表面と、
   を備える、装置であり、
   前記移動表面から前記液体マトリックスに対する同じ剪断力に反応して、かつそれと概ね釣り合っている、前記包囲された容積内の増加された圧力は、相対的に無視できる粘度を有し、その圧力を増加させ得る液体マトリックスに対する同じ剪断力によって前に推進されない同伴ガスに対する障壁を形成し、それによって、前記同伴ガスが前記液体マトリックスおよび前記繊維に伴って前記包囲された容積を通過することが妨げられ、そのため前記同伴ガスから分離され、前記包囲された容積は、前記液体マトリックスで充填されたタンク内に配置され、
   前記液体マトリックスで含浸された繊維は、ライン速度で前記出口隙間を出て、前記移動表面は、前記ライン速度よりも速く移動するように駆動される、装置。
2. 前記液体マトリックスは、粘性液体マトリックスを備え、前記粘性液体マトリックスは、水よりも高い粘度を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記繊維は、チョップドストランドマット、織物ロービング、および連続平行繊維から成る群から選択された連続ウェブを備える、請求項１に記載の装置。
4. 両側から脱出することなく前記包囲された容積を通って移動するように前記液体マトリックスを保つことによって増加する圧力を維持する、前記包囲された容積の両側上にあるダムを更に備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記移動表面は、前記タンク内の液体マトリックスに浸漬され、第２の表面に隣接して配置された駆動ローラの表面を備え、前記駆動ローラの各側面上にあるダムおよび前記第２の表面は、前記液体マトリックスを跳ね返らせ、前記繊維は、前記液体マトリックスとともに前記包囲された容積に通される、請求項４に記載の装置。
6. 前記第２の表面は、第２の駆動ローラを備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記繊維は連続性であり、アイドラローラのペアに緊張下で接触し、それによって駆動させるために前記タンクの外側で牽引され、それによって、前記移動表面は、前記アイドラローラのペアの表面を備え、前記アイドラローラのペアは、前記タンク内の液体マトリックスに浸漬され、互いに平行に配置されてそれらの間に前記出口隙間を形成し、前記アイドラローラの間で前記液体マトリックスを前記出口隙間内へ跳ね返らせるために前記アイドラローラのペアの各側面上に前記ダムを有する、請求項５に記載の装置。
8. 前記包囲された容積は、第１の円筒形表面と第２の円筒形表面との間で前記ダムをもって形成される、請求項４に記載の装置。
9. 前記移動表面は、駆動ローラの表面である、請求項１に記載の装置。

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