熱可塑性成形プロセス及び装置
方法は、熱可塑性材料を加熱して、繊維と配合するための溶融した熱可塑性材料を作ることを含む。溶融した熱可塑性材料を繊維と配合して、重量濃度の繊維を有する溶融した複合材料を作る。次いで、別々に制御された材料を供給する動的ダイを通して溶融した複合材料を押し出し、下部モールドの上に重力降下させる。下部モールドは、下部モールド及び上部モールドのモールドキャビティに合う所定量の溶融した複合材料を下部モールド上に堆積させるために、複合材料の流れを受け取りながら空間的及び時間的に移動させることができる。上部モールドを所定量の溶融した複合材料に押し付けて下部モールドの上に閉じ、物品を形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関し、特に、押出ダイを通過するときに成形される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する独自の動的ゲートダイを用いる熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関する。
（関連出願）
本出願は、２００４年３月３１日に出願された米国特許出願連続番号第１０／８１５，３１０号の利益を主張するものであり、該出願は、２００２年１１月１３日に出願された米国特許出願連続番号第１０／２９３，００５号の一部継続出願であり、該出願は、２００２年３月２５日に出願され、現在は米国特許第６，７１９，５５１号となった米国特許出願連続番号第１０／１０４，３９４号の一部継続出願であり、該出願は、１９９７年１２月１８日に出願され、現在は放棄された米国特許出願連続番号第０８／９９３，５１６号の分割出願である。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の説明
過去においては、一般に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性複合部品の成形を含む様々な成形システムが提供されてきた。真空成形においては、加熱された熱可塑性材料のスラブ（一定の厚さのシート）を真空モールドに配置し、モールドと加熱されたプラスチック材料との間を真空に引いてプラスチック材料をモールドに引き寄せる。同様に、圧縮成形においては、予め加熱された材料の塊又はスラブを、材料を圧縮して所望の部品又は形状にする２つの成形モールドの間でプレスする。
【０００３】
関連特許
材料の熱成形を用いる先行米国特許は、Ｗｉｎｓｔｅａｄの４つの特許、米国特許第４，４２０，３００号、米国特許第４，４２１，７１２号、米国特許第４，４１３，９６４号、及び米国特許第３，７８９，０９５号によって理解することができる。Ｗｉｎｓｔｅａｄの´７１２特許及び´３００特許は、押出機、延伸手段、及び、雌モールドと、ホイール表面の実質的な弧の周りにシート材料を係合するプラグアシスト部材を有する軌道周回装置を形成するように相互連結された複数のプラグアシスト手段とを有するホイールを含む、シート材料の連続熱成形のための装置に関するものである。Ｗｉｎｓｔｅａｄの´９６４特許は、熱可塑性材料のウェブから成形製品を連続的に押し出して形成すると同時に、該製品をウェブから連続的に切り離し、該製品を積み重ねて処理し、ウェブの縁を再利用してさらに押し出しに用いるための装置を教示する。この装置は、多角形回転モールドと二軸配向装置とを接続するフォロアローラによって二軸配向ウェブが連続的に位置決めされる外周面上の回転多角形形状を有する複数のモールドキャビティを用いる。Ｗｉｎｓｔｅａｄの米国特許第３，７８９，０９５号は、低密度の発泡熱可塑性材料を連続的に押し出して、そこから三次元の定形部材を製造する、統合された方法である。
【０００４】
Ｈｏｗｅｌｌの米国特許第３，８６８，２０９号は、加熱ステーションから成形ステーションのモールド機構まで共通の水平面を連続的に移動する、熱によって溶融する１対の熱可塑性シートから中空のプラスチック製品を製造するための二重シート熱形成機である。Ｈｅｌｄ Ｊｒ．の米国特許第３，８６８，２０９号は、２枚の熱可塑性材料を、空間の空いた関係にある加熱領域を通し、２つの半モールドの間を通過させることによって、該２枚の熱可塑性材料から中空部材を真空成形するための装置である。２つの半モールドは、中空部材を成形するために各々のシートをそれぞれのモールドの形状に適合させるように真空が各々のシートを引くときに接合される。Ｂｕｄｚｙｎｓｋｉらの米国特許第５，５５１，８６０号は、１度に１つのモールドを該モールドを装着するための押出ダイハンドルと位置合わせさせながら連続的に回転する回転モールドを有する、瓶を作るためのブロー成形装置である。Ｈｕｊｉｋの米国特許第３，９１５，６０８号は、靴底を連続的に成形するために複数の工程ステーションを通して複数のモールドを回転させる回転テーブルを含む、多層靴底のための射出成形機である。Ｌｕｄｗｉｇの米国特許第３，３０２，２４３号は、プラスチックの靴を射出成形するための別の装置である。Ｌａｍｅｒｉｓらの米国特許第３，２２４，０４３号は、プラスチック射出ノズルと位置合わせさせるように回転させることができる少なくとも２つのモールドを有する射出成形機を教示する。Ｖｉｓｍａｒａの米国特許第４，６９８，００１号は、成形プラスチック製のオートバイ用ヘルメットを製造するための機械であり、１対の半モールドが複数の位置の間を移動する圧縮タイプのモールドを用いるものである。Ｋｒｕｍｍの米国特許第４，３０４，６２２号は、各々が半スラブ条体をそれぞれのローラ組立体に押し出す１対の押出機を含む、熱可塑性合成樹脂の厚いスラブを生産するための装置である。ローラ組立体は、間で圧密ニップを形成する最終ローラを有し、そこで２つの半スラブが互いに接合される。
【０００５】
複合材料及び他のプロセス
複合材料は、個々の材料より優れた特性又は性質を有する材料を作る２つ又はそれ以上の成分の混合物から形成される材料である。ほとんどの複合材料は、２つの部分、すなわち、基体成分及び強化成分からなる。基体成分は、複合材料を互いに結合する材料であり、通常は強化成分ほど固くない。これらの材料は、高温で圧力をかけて形成される。基体は、強化材を所定の位置に閉じ込め、荷重を強化材に分散させる。強化材は、通常は、基体材料より固いため、複合材料内部の主な荷重支持成分である。強化材は、複合材料を形成する基体内に埋め込まれる、繊維から、織物、粒子、又は棒状体までの範囲の、多くの異なる形態をとることができる。
【０００６】
複合材料構造体は、自然界においては何百万年もの間存在している。木材の微細構造又は貝殻のバイオセラミクスの調査によって、自然界に見出される複合材料の発生が明らかにされ、現代の複合材料が本質的に自然界に見出される構造を模倣するように発展してきたことが示される。複合材料の最適な例が、コンクリートである。異なる形態のコンクリートによって、強化材がどのように作用するかに関する示唆が与えられる。セメントは、要素同士をまとめて保持する基体として働き、一方、砂、砂利、及び鋼鉄は、強化成分として働く。砂とセメントのみで作ったコンクリートは、セメント、砂、及び石から作ったコンクリートと比べると極めて弱く、後者は、鋼鉄、砂、及び石で強化されたコンクリートほど強度がない。コンクリートの基体材料及び強化材料は、混和され、注入され、典型的には形成構造体として成形される。他の複合材料でできた部品を生産する場合には、複合構造体又は部品の形は、複合構造体を形成するのに用いられるモールド、ダイ、又は他の金型の形又は形状によって決定される。
【０００７】
プラスチック複合材料を含む多くの異なる種類の複合材料が存在する。各々のプラスチック樹脂は、その固有の特性を有し、それが、異なる強化材と組み合わされたときに異なる機械的特性及び物理的特性を有する複合材料を作る。今日存在するプラスチックポリマの数を考慮し、その数字に利用可能な強化剤の数を掛けると、可能な複合材料の数は膨大なものになる。プラスチック複合材料は、２つの主なカテゴリー、すなわち、熱硬化性複合材料と熱可塑性複合材料に分類される。
【０００８】
熱硬化性複合材料の場合には、熱と圧力を加えた後に、熱硬化性樹脂が、材料の分子構造を架橋する化学変化を受ける。一旦硬化すると、熱硬化性部品は再び成形することはできない。熱硬化性プラスチックは、内部に見られる強固な架橋構造のため、高温耐性があり、ほとんどの熱可塑性材料より高い寸法安定性を備える。熱可塑性基体成分は、熱硬化性材料ほど制約されず、再利用し、形状を変えて、新しい部品を作ることができる。
【０００９】
熱可塑性複合材料のための一般的な基体成分は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びナイロンを含む。高強度高弾性率の繊維で強化して熱可塑性複合材料を形成する熱可塑性材料は、強度及び剛性、並びに、靱性及び寸法安定性が飛躍的に増大する。
【００１０】
複合材料は、広範な産業にわたって数々の用途に用いられる。典型的には、複合材料は、ファスナ又は他のコネクタを用いて組み立てられる合金構造体又は多成分金属構造体で作られる製品の代わりに用いられる。複合材料は、十分な強度を有するが、重量が軽くなる。このことは、自動車及び航空宇宙などの産業において特に重要であり、複合材料の使用によって、より軽く、より早く、より低燃費で、環境面で健全な航空機及び自動車が得られる。複合材料はまた、木材、ガラス繊維、及び他のより伝統的な材料を代替するように設計することができる。以下の産業、すなわち、航空宇宙、自動車、建設、家電、造船、運搬、医療、軍事、電気通信、運輸、及び廃棄物処理は、熱可塑性複合材料から作られる大型部品を使用する用途を有する産業の一部を列挙したものである。
【００１１】
一般に、他の属性の中でも、熱可塑性複合材料は、腐食に対する耐性を示し、多くの製造業にとってこれらの材料を特に魅力的なものにする長い疲労寿命をもたらす。疲労寿命は、材料摩耗又は深刻な応力を呈する前に、部品が仕様どおりに機能する能力を損なう時点まで持続する期間を指す。典型的には、複合材料は、特定の部分の重量を減少させる一方で、既存の部分の強度及び他の望ましい特性をもたらす必要がある用途に利用される。極めて高価な熱硬化性複合材料で作られる多数の部品が存在する。これらの種類の部品は、典型的には、先端複合材料と呼ばれ、軍事産業及び航空宇宙産業において最もよく利用される。
【００１２】
製品開発技術者及び生産技術者は、熱可塑性材料が現代の技術開発においてますます重要な役割を果たすものと考えている。新しい熱可塑性樹脂が恒常的に開発され、複合材料でできた部品の製造に関連する費用を低減するために、より革新的な製造方法が導入され始めている。熱可塑性複合材料でできた部品を製造するための費用が低減するにつれて、熱可塑性複合材料を用いることが、多くの商業上及び産業上の用途にとってより有望な解決策になっている。
【００１３】
現時点で熱可塑性複合材料に利用可能な成形方法
熱可塑性複合材料について商業的に利用可能な製造技術のほとんどは、熱硬化性複合材料を処理するための方法から応用された。これらの方法は、より低粘度で長い硬化時間を有する樹脂系について設計されているため、熱可塑性材料製造プロセスは、ある種の非効率性及び困難性を抱えている。現在使用されている、熱可塑性複合材料を用いた幾つかの製造方法が存在する。最も一般的なプロセスの幾つかは、圧縮成形、射出成形、及びオートクレーブ処理を含み、これらのすべては、「ニアネットシェイプ（ｎｅａｒ−ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）」部品、すなわち、成形後に所望の又は設計された形状と実質的に一致する部品の製造に用いることができる。熱可塑性複合材料を処理するための、それほど一般的ではない方法として、引き抜き成形、真空成形、ダイヤフラム成形、及び加熱プレス技術が挙げられる。
【００１４】
圧縮成形
圧縮成形は、熱可塑性複合材料の構造部品を商業的に製造するために用いられる、現在圧倒的に最も広く知られている方法である。典型的には、圧縮成形は、連続した又は細断された不規則な配向のグラスファイバと配合されたポリプロピレン又は同様の基体からなるガラスマット熱可塑性（ＧＭＴ）複合材料を利用するものである。ＧＭＴは、サードパーティの材料化合物製造者によって生産され成形される、標準的なサイズ又は特注サイズの平らなブランクとして販売されている。この予め含浸された複合材料（又は、その熱硬化性の同等物を用いるときにより一般的に呼ばれる、プリプレグ）を用いて、ＧＭＴの塊を、オーブン内で加熱し、次いで成形モールドの上に置く。成形モールドの２つの半モールドを、大きな圧力下で閉じ、樹脂及び繊維によってモールドキャビティ全体を満たす。部品が冷却されると、該部品は、取り出し機構を用いてモールドから取り除かれる。
【００１５】
一般に、ＧＭＴ成形に用いられるマッチド成形モールドは、劣化することなく高い成形圧力の連続的な印加に耐えるように、高強度鋼から加工される。これらのモールドは、サイクル時間を早めて、表面仕上げの質を向上させるために、活発に加熱され、冷却されることが多い。ＧＭＴ成形は、３０秒から９０秒の範囲のサイクル時間を有する、最も生産的な複合材料製造プロセスの１つであると考えられる。しかしながら、圧縮成形は、高い能力のプレス機（２０００〜３０００トンの圧力）と高圧モールドとを購入するための大きな設備投資を必要とし、したがって、生産量が多い場合にのみ効率的である。少量の小型部品は、既存のプレス機上でアルミニウムモールドを用いて製造し、ある程度のコストを節減することができる。このプロセスの他の欠点は、粘度の問題に起因する低繊維割合（２０％から３０％）と、中級程度の質の表面仕上げしか得られない能力である。
【００１６】
射出成形
射出成形は、非強化熱可塑性部品のための最も普及している製造方法であり、短繊維強化熱可塑性複合材料に用いられる最も一般的な方法になりつつある。この方法を用いる場合には、熱可塑性ペレットに短繊維を含浸させ、該熱可塑性ペレットを、通常は１５，０００〜３０，０００ｐｓｉの範囲の射出圧力で、２つの部分からなる閉じた硬化鋼モールドの中に押し出す。モールドを加熱して高流量を達成し、次いで直ちにモールドを冷却して歪みを最小化する。流体力学分析を用いて、特定の配向を有する繊維を様々な位置に与えるモールドを設計することができるが、一般的に、射出成形部品は等方的である。最終的な部品内の繊維は、典型的には、わずか１／８インチの長さであり、最大の繊維含有量は、約４０％である。この方法を若干変更したものは、樹脂注入成形（ＲＴＭ）として知られている。ＲＴＭ製造法は、高圧下において樹脂で満たされるモールドの中に配置されたマット繊維を利用するものである。この方法は、繊維を手作業で配向すること、及び、より繊維長の長いものを使用することができるという利点を有する。
【００１７】
射出成形は、熱可塑性プロセスの中で最も高速であり、したがって、一般には、自動車及び消費財などの大量生産用途に用いられる。サイクル時間は、２０秒から６０秒の範囲である。射出成形はまた、高度に再現可能なニアネットシェイプ部品を生産する。挿入部、穴、及び心材の周囲を成形する能力は、別の利点である。最後に、射出成形及びＲＴＭは、一般に、あらゆるプロセスの中で最良の表面仕上げを提供する。
【００１８】
上述のプロセスは、所要のモールドの大きさ及び射出成形機の能力により、射出成形によって生産することができる部品の大きさ及び重量に関して実質的な制限を受ける。したがって、この方法は、小型から中型の部品に限定されてきた。構造強化の点から最も問題となるのは、射出成形プロセスにおいて用いることができる強化繊維の長さに関する制限である。
【００１９】
オートクレーブ処理
オートクレーブ処理は、産業によって用いられるさらに別の熱可塑性複合材料製造プロセスである。単一方向の繊維を有する熱可塑性プリプレグ又は織布を、片面のモールドの上に置く。表面仕上げのために、粘着を防止するために、及び、オートクレーブ内に配置された時点で真空に引くことができるように、プリプレグ集合体を数層のバギング材料で覆う。オートクレーブ内部で、複合材料を加熱し、圧力をかけて、材料の層を固化及び架橋させる。圧縮成形及び射出成形とは異なり、モールドは、オープンモールドであり、必要な圧力がはるかに小さいためアルミニウム又は鋼鉄のいずれかで作ることができる。
【００２０】
オートクレーブ・プロセスは、時間がかかり、労働集約的であるため、高い精度が要求される極めて大型の少量の部品について利用され、製造ラインには適さない。この方法の重要な利点として、繊維の体積率が高いこと、及び、特定の材料特性を可能にするための繊維配向の制御が挙げられる。このプロセスは、金型が比較的安価であるため、試作品製造に特に有用である。
【００２１】
【特許文献１】米国特許第４，４２０，３００号
【特許文献２】米国特許第４，４２１，７１２号
【特許文献３】米国特許第４，４１３，９６４号
【特許文献４】米国特許第３，７８９，０９５号
【特許文献５】米国特許第３，８６８，２０９号
【特許文献６】米国特許第３，６９５，７９９号
【特許文献７】米国特許第５，５５１，８６０号
【特許文献８】米国特許第３，９１５，６０８号
【特許文献９】米国特許第３，３０２，２４３号
【特許文献１０】米国特許第３，２２４，０４３号
【特許文献１１】米国特許第４，６９８，００１号
【特許文献１２】米国特許第４，３０４，６２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
「長い」繊維を必要とする熱可塑性複合材料のための成形方法
上述のプロセスのいずれも、成形プロセスの間に大部分が壊れずに残る（例えば、約２分の１インチより長い）長繊維で強化された熱可塑性複合材料を生産することができず、このことは、大型でより複雑な部品の生産に特に当てはまる。従来は、３ステッププロセス、すなわち、（１）プリプレグ複合配合物の第三者による化合、（２）プリプレグ材料のオーブン内での加熱、（３）所望の部品を形成するために溶融した材料のモールドへの挿入、を利用してこうした部品を成形した。このプロセスは、構造的に十分に強化された大型で複雑な部品を生産する場合に、産業の多用性を制限する幾つかの欠点を有する。
【００２３】
１つの欠点は、シート成形プロセスは、厚さを変えた部品、又は、熱可塑性複合材料の「深絞り（ｄｅｅｐ−ｄｒａｗ）」を必要とする部品を生産できないことである。押し出されたシートが厚くなるにつれて、最終的な部品の構造形成に関する問題を避けるためにシートをその厚さ全体を通して均一に再溶融させることが困難になる。例えば、パレットの足の形成は、「垂直面」における材料の深絞りを必要とし、したがって、押出シートの水平面全体にわたって均一ではないため、上面から垂直に押し出される足を有するパレットは、より厚い押出シートを用いて成形することができない、パレットの深絞り部分である。均一な厚さを有する押出シートの幾何学的制限に関する他の欠点は明らかであり、本発明の説明と併せて以下により詳細に説明されることになる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、真空成形又は圧縮成形のいずれかを用いて熱可塑性複合材料部品の熱可塑性樹脂を生産するための成形システムであって、部品が押出ダイからモールドに直接送られる一方、熱可塑性スラブには、押出ダイを通して材料のシートを形成するために樹脂を流体状態に加熱するのに用いられた熱が依然として残る、成形システムに関するものである。本発明は、熱可塑性材料成形プロセス及び装置に向けられており、特に、押出ダイを通過するときに成形される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する熱可塑性材料押出ダイを用いる熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関するものである。
【００２５】
本発明は、さらに、熱可塑性材料のスラブを、材料のスラブを形成する押出機からステーション間で回転させることができるモールドの上に直接送る連続熱成形システムに関するものである。熱可塑性材料は、一定の厚さのプラスチックスラブから表面全体の厚さが一定ではないプラスチックスラブに変化させるために、調節可能な押出ダイを通して押し出される。一定ではない厚さは、特定の成形運転ごとに調節するか、又は、必要に応じて連続的に変えることができる。これにより、成形部品が必要に応じてその全体にわたって厚い場所と薄い場所を持つことができるように、押出スラブ全体にわたって及び成形された部品の至る所で、異なる厚さを有する熱可塑性材料の連続成形が可能になる。本発明は、押出成形プロセスによって製造される所望の部品の、大きさ、形状、組成、重量、又は強度に関して限定するものではない。
【００２６】
熱可塑性材料成形システムは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部材すなわち動的なダイ設定によって外形が規定される熱可塑性スラブの押出のための熱可塑性材料押出ダイを含む。熱可塑性材料押出ダイは、熱可塑性材料押出ダイから押し出された熱可塑性スラブを切断するためのトリマを有する。真空モールド又は圧縮モールドのいずれかとすることができる複数の熱可塑性材料モールドの各々は、一度に１つのモールドを、熱可塑性材料押出ダイから切り取られる熱可塑性スラブを受け取る位置に移動させるための、回転プラットフォームなどの移動可能なプラットフォームに取り付けられる。成形される部品は、加熱状態のままで押出ダイから送り出される加熱された熱可塑性材料のスラブから、一定ではない厚さで形成される。複数のモールドをプラットフォームに取り付けて、１つのモールドを押出ダイから熱可塑性スラブを受け取るための積み込み位置に送り、第２のモールドを、形成された部品をモールドから取り出すための解放位置に送る。プラットフォームは、往復プラットフォーム又は回転プラットフォームとすることができ、別のモールドが熱可塑性スラブを受けている間に、各々のモールドを冷却することを可能にする。押出スラブの異なる部分において押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために、熱可塑性材料押出ダイを調節する装置に従って熱可塑性材料押出ダイの設定を選択するステップを有する熱可塑性材料成形プロセスが提供される。熱可塑性材料は、流体状態まで加熱されて、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変化させ、厚さが一定ではない押出熱可塑性スラブを所定の大きさに切り取り、加熱された熱可塑性材料の切り取ったスラブの各々を熱成形モールド上に導くように調節された、選択された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出され、材料の押し出しの際に加熱された材料のスラブから一定ではない厚さで成形部品が形成されるようにモールド内の所定の部品を成形する。
【００２７】
この「押出−成形」プロセスはまた、押出機が、動的ダイを通して溶融した熱可塑性複合材料を分配し、該材料を動的ダイの位置に対して移動可能な下部モールドの上に直接重力降下させるため、（約２分の１インチより長い）長繊維によって強化された熱可塑性複合材料構造体の形成を容易にする。本明細書において用いられるときには、「下部モールド」という用語は、熱可塑性材料が導かれるマッチドモールドの下半分を指す。同様に、「上部モールド」という用語は、上部及び下部の半モールドが組み合わされたとき、すなわち閉じられたときに、内部で所望の熱可塑性部品が形成されるマッチドモールドの上半分を指す。下部モールドは、モールドキャビティを様々な量の熱可塑性複合材料で充填するように、台車によって移動させることができる。例えば、ある水平範囲にわたって、下部モールド及び上部モールドによって定められるキャビティがより大きい場合には、その範囲においてより多くの溶融した熱可塑性複合材料を受け取るように、下部モールドを減速させることができる。動的ダイは流量制御要素を使用し、該流量制御要素は、該流量制御要素の各々から異なる量の材料を供給し、該材料を下部モールドが移動する方向と垂直な方向に該下部モールドの幅全体にわたって選択的に堆積させるように、溶融した押出熱可塑性複合材料の流量を変えるか又は調整する。熱可塑性複合材料は、少なくとも１０重量パーセントから最大で５０〜６０重量パーセントの濃度を有する（約２分の１インチより長い）長繊維を伴い、繊維破損割合が低い状態で成形することができる。溶融した押出熱可塑性複合材料が下部モールドの上に重力降下した後に、台車は、上部モールドを下部モールドの上に閉じて複合材料部品を形成するプレス内に自動的に移送される。
【００２８】
本発明の原理による１つの実施形態は、熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するためのシステム及び方法を含む。本方法は、熱可塑性材料を加熱して、繊維と配合しながら溶融した熱可塑性材料を作ることを含む。溶融した熱可塑性材料を繊維と配合して、所望の重量濃度及び／又は体積濃度の繊維を有する溶融した複合材料を作る。次いで、所定の複合材料の流量になるように、動的ダイを通して溶融した複合材料を押し出し、物品を形成するための下部モールドの上に重力降下させる。下部モールドは、下部モールドのモールドキャビティに必要な材料の量と正確に一致する所定量の溶融した複合材料を下部モールドの上に堆積させるために、複合材料の流れを受け取りながら様々な速度で空間的及び時間的に不連続に移動させることができる。上部モールドを所定量の溶融した複合材料に押し付けて下部モールドの上に閉じ、物品を形成することができる。
【００２９】
本発明の別の実施形態においては、成形熱可塑性物品が提供される。この物品は、熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含み、低剪断プロセスによって作られる。成形前の繊維の長さは約０．５〜３インチであり、成形物品の繊維の長さは成形前の長さの約６０％より長い。繊維性材料は、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成する。成形熱可塑性物品における繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、成形物品のｘ面、ｙ面、及びｚ面における機械的特性は、互いに他の２０％以内である。物品の機械的特性は、実質的に非等方的である。
【００３０】
本発明の別の態様においては、成形熱可塑性物品を作るためのプロセスが提供される。成形熱可塑性物品を作るためのプロセスは、一般に、
ａ）熱可塑性樹脂と繊維性材料といずれかの任意の添加剤との混合物を、低剪断単軸スクリュを用いて溶融化合し、
ｂ）低剪断押出を用いて、該混合物をシート押出ダイを通して押し出し、
ｃ）押し出された混合物を、概ね物品全体の形状を有する水平に移動可能なマッチドモールドの第１の半モールドの中に堆積させ、
ｄ）熱可塑性物品の圧密及び成形を完了するために１００〜１，０００ｐｓｉの範囲の圧力と溶融した混合物の極めてわずかな移動とを必要とするように、堆積させた混合物をマッチドモールドの第２の半モールドを用いて圧縮成形する、
ステップを含む。したがって、本発明は、真空成形プロセス及びシート成形プロセスを超える優れたものとすることができる。
本発明の他の目的、特徴、及び利点は、記載された説明及び図面から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
何年もの間、複合材料製造産業においては、圧縮成形又は射出成形の速度及び作業効率と、オートクレーブ成形の精度及び低い圧力で、大型の熱可塑性複合材料構造体又は部品を大量生産するプロセスを提供できないという隙間が存在していた。本発明の原理は、この隙間を埋めて、こうした熱可塑性複合材料部品を生産するプロセスを提供するものである。本プロセスは、中程度の量から大量の部品生産に適しており、高い強化繊維濃度及び低い成形圧力で、大型の部品及び構造体を生産することができる。
【００３２】
図面の図１及び図２を参照すると、押出機１１とモールド交換ステーション１２と圧縮成形ステーション１３とを有する、熱可塑性樹脂又は熱可塑性複合材料から部品を熱成形するための熱成形装置１０が示されている。押出機は、ヒータが熱可塑性材料を加熱して流体材料にするオーガ１５に熱可塑性樹脂又は複合材料を供給するための、上部に取り付けられたホッパ１４を有し、オーガ１５は、押出機の経路の長さに沿って該経路の最後にある押出ダイ１６に流体材料を供給している。押出機を通り、押出ダイの外に送り出される材料は、ダイ１６の端部に取り付けられたトリマ１７を用いて切断される。材料は、概ね平板スラブ（図示せず）の状態で押し出され、押出ダイ１６から出るときにトリマ１７によって所定の箇所で切り取られる。支持プラットフォーム１８は、熱可塑性材料のスラブを受け取るために、押出ダイ１６の下で、移動する半モールド１９を直接支持する。移動する半モールド１９は、（半モールド１９´として示されるように）該半モールド１９を、プラットフォーム１８から、図１において両矢印２１´によって示されるように回転させるための中心回転シャフト２２に取り付けられた回転プラットフォーム２１上に移動させることができるようにする車輪２０を有する。回転プラットフォーム２１の上には、（半モールド２３´として示されるように）半モールド１９がプラットフォーム１８上にある間に圧縮成形ステーション１３に送ることができる第２の半モールド２３が載っている。半モールド２３´は、圧縮成形ステーションにおいて、成形工程が行われる移動プラテン２６に取り付けられた、停止状態にある共通の固定された半モールド２５の真下で、固定プラットフォーム２４の上に直接支持することができる。このように、半モールド１９及び２３は、一方のモールドが熱可塑性スラブを取り込んでいる間に、他方の半モールドが部品を成形することができるように、行ったり来たりさせることができる。移動する半モールド１９、２３の各々は、半モールドを回転プラットフォーム２１からプラットフォーム１８又は固定プラットフォーム２４の上に駆動するための電気モータ２７を有する。移動する半モールドの速度を制御するために、線形変換器２８をプラットフォーム１８に取り付けることができる。
【００３３】
この時点で、押出機１１は、依然として熱エネルギーを含んでいる加熱された押出スラブを、該スラブを圧縮成形ステーション１３に送り、熱可塑性材料のシートを再加熱する必要なく部品に成形する移動半モールド上に、生産することに留意されたい。また、図４及び図５に関連して後述されるように、熱可塑性スラブは、モールドから作られる熱成形部品を強化するために、その幅全体にわたって厚さが一定ではないものとすることもできる。
【００３４】
図３Ａ〜図３Ｅを参照すると、本発明によるプレス工程において一連の位置にある半モールド１９、１９´及び２３、２３´を有する熱可塑性材料成形装置１０が示されている。各々の図には、押し出す前に熱可塑性樹脂又は複合材料を加熱するオーガ１５に、熱可塑性樹脂又は複合材料を供給するホッパ１４を有する押出機１１が描かれている。図３Ａにおいて、半モールド２３´は空であり、半モールド１９は、押出機１１から直接ホットメルトが充填されている。図３Ｂにおいて、モールド搬送装置が、半モールド１９及び２３´を回転するターンテーブル２１の上に移動させる。図３Ｃにおいて、回転するターンテーブル２１は、スラブを一方の半モールドの上に積み込むためのステーションと、スラブを積んだ半モールド１９´を圧縮又は真空成形機１３の中に入れるためのステーションとの間を、中心軸シャフト２２（図示せず）上で回転する。図３Ｄにおいて、半モールド１９´は、プレス１３内に移動し、一方、空の半モールド２３は、熱可塑性材料のスラブを積み込むために押出ダイ１６の下に移動する。図３Ｅにおいて、半モールド１９´を冷却加圧して部品を取り出し、一方、半モールド２３´は、搬送装置によって押出ダイ１６の下に移動したときに、完全に充填されるまでホットメルトが充填される。
【００３５】
図４及び図５を参照すると、図１及び図２のオーガ１５を用いて流体状の熱可塑性材料を供給するためのチャネル３２を持ち、押出チャネル３３を通して口３４から押出熱可塑性材料のシート又はスラブを生成するダイ本体３１を有する押出ダイ３０が示されている。ダイ３０は、ゲート・アクチュエータ・モータ３７によって駆動されるねじ込みシャフト３６に各々が接続された複数のゲート板３５を有し、ゲート・アクチュエータ・モータ３７は、油圧モータ又は空気モータとすることができるが、図示されるように、遠隔制御装置４０に繋がる制御線３８を有する電気ステッピングモータであり、遠隔制御装置４０は、板３５を出し入れしてチャネル部４１を通過する熱可塑性スラブの厚さを変えるように、モータ３７を段階的に回転させることができる。図５においては、複数の板を駆動する複数のモータ３７が示されており、各々の板は隣の板と接して取り付けられ、押出スラブの幅にわたって変えることができる厚さを有する出力部分３４からスラブを生成するために、各々の板を別個に制御し、それにより、チャネル４１内の板３５を様々なパターン変化させる。ゲート３５は、押出ダイのいずれかの部分の厚さを調節するように各々のゲートを個々にねじ込んで出し入れすることによって手動で制御することができ、代替的に、必要に応じて遠隔制御によって押出スラブのいずれかの部分の厚さを変えるように、コンピュータプログラムとすることができる制御装置４０によって制御できることも明らかである。
【００３６】
熱可塑性スラブの押し出しのために熱可塑性材料押出ダイ１６又は３０を選択することを含む熱可塑性材料成形プロセスが提供され、押出ダイは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部材を有する。本プロセスは、押出スラブの異なる部分において熱可塑性材料押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために熱可塑性材料押出ダイを調節し、次いで、熱可塑性材料を加熱して流体にし、流体状の熱可塑性材料のスラブを、選択され調節された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出すことを含む。次いで、熱可塑性スラブは、切り取られ、熱成形モールド１９又は２３内の加熱された熱可塑性材料の上に導かれ、成形装置１３内で成形されて、厚さが一定ではない部品を形成する。
【００３７】
この時点で、成形過程にある押出スラブの異なる部分の厚さを変えるように連続的に制御できる押出ダイを用いて、厚さが一定ではない部品を熱成形することが可能な熱可塑性材料成形プロセス及び装置が提供されていること、及び、成形は達成されたが、熱可塑性スラブは、押出プロセスからの熱エネルギーを利用するように依然として加熱されていることを明確にすべきである。しかしながら、本発明は、示される形態に限定されるものではなく、限定的なものよりもむしろ例示的なものであることも明確にすべきである。例えば、押出材料は、概ね平板スラブとして説明されることがあるが、以下のようなものとして、すなわち、（１）再加熱を避けるために、圧縮成形ステーション１３に送られたときに熱エネルギーを含むもの、（２）幅全体にわたって厚さが一定ではないもの、（３）押出機１１から半モールド１９に充填されるときにホットメルトであるもの、（４）押出材料の幅全体にわたって、及び押出材料の異なる部分において、厚さを変えるために、複数のゲート板３５を用いるもの、及び最後に、（５）形成される部品において一定ではない厚さを達成するために、選択され調節された押出ダイを通して溶融した熱可塑性材料を押し出すもの、としても説明される。このように、押出機は、一般に、垂直面において、及びモールド上の両水平方向にわたって、一定ではない厚さで半モールドすなわち下部モールドの上に重力降下する、熱可塑性複合材料の溶融流を、動的ダイを通して提供する。
【００３８】
上述の「押出成形」プロセスは、数例を挙げるとガラス、炭素、金属、又は有機繊維で強化された、中型から大型の熱可塑性複合材料構造体を製造するには理想的なものである。押出成形プロセスは、材料配合又は基体成分と強化成分との化合を統合し自動化して、材料を受け取る際に動きが制御されるマッチドモールドの下半分に重力降下する所定の量の溶融した複合材料を分配する、コンピュータ制御された押出システムと、モールドの上半分を下半分に押し付けて所望の構造体又は部品を形成するためにモールドの下半分を受け取る圧縮成形ステーションとを含む。マッチドモールドの下半分は、低速でより厚く、及び、高速でより薄く、材料を堆積させることができるように、様々な速度で空間的及び時間的に不連続に移動する。上述の熱可塑性装置１０は、押出成形プロセスを実施するための１つの実施形態である。（粉砕再生材料若しくはペレット状熱可塑性材料、又は必要に応じて、熱硬化性エポキシのいずれかの形態とすることができる）未加工の樹脂は、長さが約２分の１インチより長い強化繊維と共に、押出機のフィーダ又はホッパに供給される基体成分である。複合材料は、押出機１１によって配合及び／又は化合され、図６Ａ及び図６Ｂに示される実施形態を用いて後述されるように、ゲート３５を用いて押出機１１の出力を制御し、押出機１１の位置に対する下部半モールド１９の動きを制御することによって、下部半モールド１９上に「知的に」堆積させることができる。これらの実施形態においては、マッチドモールドの下部は、動的ダイの下で不連続に移動する台車に固定される。マッチドモールドの下部は、正確な量の押出複合材料を受け取り、次いで、圧縮成形ステーション内に移動する。
【００３９】
複合材料を形成するために押出成形プロセスにおいて使用することができる熱可塑性基体材料は、当該技術分野において理解されているように、熱可塑性樹脂を含む。本発明の原理に従って使用することができる熱可塑性樹脂は、押出機１１によって溶融及び配合することができるいずれかの熱可塑性樹脂を含む。こうした熱可塑性樹脂の例は、この例が完全なリストであることを意図するものではなく、押出成形システムを利用して構造的な部品を作る際に、他の熱可塑性樹脂及び材料を使用することができるという了解の下で、表１に与えられている。さらに、表１の熱可塑性樹脂は、単独で、又はこれらのいずれかの組み合わせで、用いることができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリメチル、ポリメタクリレート、アクリル、ポリウレタン、及びこれらの混合物を含む特定の熱可塑性材料が、押出成形プロセスに特に適していた。
【００４２】
熱可塑性複合材料のための強化成分として働く繊維は、一般に、熱可塑性樹脂を強化するのに使用することができる材料を含む。本発明の原理に従って用いるのに適した繊維材料は、ガラス、炭素、金属、及び、天然材料（例えば、亜麻、綿）を単独で又は組み合わせたものを含むが、これらに限定されるものではない。当該技術分野において理解されるように、列挙されていない他の繊維を使用することもできる。繊維の直径は、一般に、限定されないが、より大型の構造体部品を成形するための繊維の直径は、一般に、１μｍから２０μｍまでの範囲である。しかしながら、繊維の直径は、所望の構造体部品の強度、所望の繊維の密度、構造体部品の大きさなどを含む多くの要因に応じて、より大きくできることを理解されたい。特に、機械的特性を向上させる効果は、約１μｍから約９μｍの直径を有する繊維を用いた場合に著しい。
【００４３】
繊維内に束ねられたフィラメントの数もまた、一般に、限定されない。しかしながら、取り扱いを考慮すると、１０，０００から２０，０００のフィラメント又はモノフィラメントの繊維束が一般に望ましい。これらの強化繊維のロービングは、シラン又は他の結合剤による表面処理の後に用いることができる。熱可塑性樹脂との界面結合を向上させるために、例えばポリエステル樹脂の場合には、熱可塑性フィルム成形ポリマ、結合剤、繊維潤滑剤などによって表面処理を行うことができる。こうした表面処理は、処理済みの強化繊維の使用に先立って行うか、又は、表面処理は、押出プロセスを実行して中断することなく溶融した熱可塑性複合材料を作るために、強化繊維が押出機に供給される直前に行うことができる。最終的な使用目的に応じていずれかの組成比を用いて熱可塑性複合材料及び成型品を作ることが可能であるため、熱可塑性樹脂と繊維の比は特に限定されない。しかしながら、構造体部品について十分な構造的支持を与えるためには、当該技術分野において理解されるように、繊維の含有量は、一般に５重量％から５０重量％である。繊維の含有量は、一般には１０重量％から７０重量％であり、より大型の物品に生産について所望の機械的特性を達成するためには４０重量％が好ましいことが分かった。
【００４４】
繊維の平均的な繊維長は、約２分の１インチより長い。しかしながら、押出成形システム６００ａによって生産される典型的な構造体部品は、約１インチより長い繊維長を利用する。平均的な繊維長が１インチより短いときは、大型品について所望の機械的特性を得るのが難しいことに留意すべきである。熱可塑性複合材料内の繊維の分布は、一般に均一であり、溶融され圧縮されたときに繊維と熱可塑性樹脂は分離しない。繊維の分布又は分配は、繊維がシングルフィラメントのレベルからマルチフィラメント（数十の繊維の束）のレベルに分散するプロセスを含む。１つの実施形態においては、約５つの繊維の束を分散させて、効率及び構造的性能をもたらす。さらに、「コーミング度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｇ）」は、顕微鏡で構造体の断面を観察し、１０００又はそれ以上の観察可能な強化繊維全体における１０又はそれ以上の束の強化繊維の数の比率を求めることによって、評価することができる（（１０又はそれ以上の束の強化繊維の全数／強化繊維の全数）×１００（％））。本発明の原理によって得られる典型的な値は、最高で約６０％であり、一般には、３５％を下回ることになる。
【００４５】
図６Ａは、構造体部品を形成するように作動可能な押出成形システム６００ａの例示的な概略図である。押出成形システム６００ａは、複合材料から構造体部品を形成するように統合された多数の個別構成要素からなる。構成要素は、材料受取ユニット６０２、ヒータ６１８、押出機６０４、動的ダイ６０６、台車６０８、圧縮プレス６１０、及び、制御装置６１２を含む。押出成形システム６００ａを構成するために、他の補助的な構成要素も含むことができる。
【００４６】
材料受取ユニット６０２は、押し出されて熱可塑性複合材料を形成することになる材料Ｍ１及びＭ２をそれぞれ受け取るための、１つ又はそれ以上のホッパ又はフィーダ６１４及び６１５を含むものとすることができる。付加的なフィーダを使用して、異なる化合物を作るための付加的な材料又は添加剤を受け取ることができることを理解されたい。簡単な例においては、材料Ｍ１及びＭ２は、出発材料、すなわち、ペレット状であることが好ましい強化熱可塑性材料を表す。Ｍ１及びＭ２は、同じ強化熱可塑性材料とすることも、異なる強化熱可塑性材料とすることもできる。熱可塑性材料は、当該技術分野において理解されるように、ガラス又は炭素繊維などの繊維によって強化することができる。本発明の原理に従って非熱可塑性材料を使用できることを理解されたい。
【００４７】
ヒータ６１８は、熱可塑性材料Ｍ１及びＭ２を予熱する。押出機６０４は、フィーダチャネル６１６に結合され、加熱された熱可塑性材料Ｍ１及びＭ２をオーガ６２０によって混合するように作動する。押出機６０４は、さらに、熱可塑性材料を溶融する。オーガ６０２は、熱可塑性材料を混合し、押出機６０４を通して流すように作動可能な、らせん形状又は他のいずれかの形状とすることができる。押出機の出力チャネル６２２は、押出機６０４に結合され、熱可塑性材料を動的ダイ６０６に搬送するために使用される。
【００４８】
動的ダイ６０６は、複数の流量制御要素６２４ａ〜６２４ｎ（まとめて６２４）を含む。流量制御要素６２４は、動的ダイ６０６から押出複合材料６２５を制御するように作動可能な個別のゲート、バルブ、又は他の機構とすることができ、ここで、押出複合材料６２５ａ〜６２５ｎ（まとめて６２５）は、流量制御要素６２４にある、又はその下の、平面Ｐを横切る体積流量が変わる。異なる堆積流量の出力は、１時間当たり０〜約３０００ポンドの範囲である。堆積流量のより好ましい範囲は、１時間当たり約２５００ポンド〜約３０００ポンドである。１つの実施形態においては、流量制御要素６２４は、調節可能な流量制御要素６２４からの複合材料の流れを個々に又はまとめて変化させるように作動可能な、電気モータ（例えば、ステッピングモータ）、油圧アクチュエータ、空気アクチュエータ、又は他のアクチュエータなどの別個のアクチュエータによって上昇又は下降するゲートである。流量制御要素６２４は、個々の隣接する要素が連続した流量制御要素６２４となるように、隣接して構成することができる。代替的に、流量制御要素６２４は、隣接する流量制御要素６２４から流れる複合材料がモールドの上に広がるまで分離したままとなるように、離して構成することができる。流量制御要素６２４は、トリマ１７として作動させるのに適していることを理解されたい。本発明の実施形態においては、溶融した複合材料を押出機６０４と動的ダイ６０６との間に配置したアキュムレータに送り、そこから、プランジャ又は他の作動機構を用いて、複合材料を下部モールドに送ることができる。
【００４９】
台車６０８は、押出複合材料６２５が、所定の垂直距離「落下距離（ｄ）」において動的ダイ６０６の下を通過する下部モールド６２６に重力降下するか又は下部モールド６２６の上に堆積するように、動的ダイ６０６の下を移動させることができる。下部モールド６２６は、構造体部品を形成するのに用いられるキャビティ６３０を定める。押出複合材料６２５は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２におけるキャビティ６３０によって定められる容積を充填するように下部モールド６２６の上に堆積し６２８、構造体部品を形成する。二軸制御プロセスにおいては、複合材料６２５ａは、不連続な移動及び可変速度に基づき、動的ダイ６０６から垂直面（Ｐ）を横切って実質的に一定の体積流量で下部モールド６２６の上に堆積し、垂直面（Ｐ）に沿って実質的に同じ厚さ又は体積を有する複合材料層６２８を形成して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を充填する。三軸制御プロセスにおいては、複合材料は、動的ダイ６０６から垂直面（Ｐ）を横切って異なる体積流量で下部モールド６２６の上に堆積し、垂直面（Ｐ）に沿って異なる厚さ又は体積を有する複合材料層６２８を形成して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を充填する。二軸制御プロセスは、垂直面における深さが実質的に一定のキャビティ６３０を有するモールドに複合材料を堆積させるのに利用でき、三軸制御プロセスは、深さが異なるキャビティ６３０を有するモールドに複合材料を堆積させるのに利用できることを理解されたい。
【００５０】
台車６０８は、レール６３６に沿って並進運動を行う車輪６３４をさらに含む。レール６３６は、台車６０８が動的ダイ６０６の下で移動し、プレス６１０内に入ることを可能にする。プレス６１０は、上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けるように作動する。本発明の原理は、複合材料層６２８を動的ダイ６０６から下部モールド６２６に直接堆積させるため、従来の熱可塑性材料成形プロセスと比べて成形プロセスに必要な力を低減させるにもかかわらず、プレス６１０によって加えられる力は、依然として、車輪６３４がレール６３６に接触したままの場合には、車輪６３４に損傷を与えるのに十分なものである。したがって、車輪６３４は、プレス６１０の基部６４０の上面６３８との間で、選択的に係合又は解放させることができる。１つの実施形態においては、台車６０８は、膨張チューブが膨らんだときに車輪６３４がレール６３６と係合して台車６０８がダイ６０６の下からプレス６１０まで移動可能となるように、台車６０８に結合された膨張チューブ（図示せず）によって上昇する。チューブが収縮したときには、台車６０８の本体がプレス６１０の基部６４０の上面６３８上に乗るように、車輪６３４が解放される。他の作動構造要素を用いて台車６０８の支持から車輪６３４を係合又は解放することができるが、車輪６３４を係合又は解放する機能は、実質的に同じものとすべきであることを理解されたい。例えば、台車６０８の基板と接触するように、プレス６１０の基部６４０の上面６３８を上昇させることができる。
【００５１】
制御装置６１２は、押出成形プロセス６００を構成する様々な構成要素に電気的に結合される。制御装置６１２は、構造体部品の形成を取りまとめるように作動するプロセッサベースのユニットである。１つには、制御装置６１２は、複合材料の温度、押出複合材料６２５の体積流量、並びに、押出複合材料６２５を受け取る下部モールド６２６の、台車６０８を介した移動の位置及び速度を制御することによって、複合材料が下部モールド６２６上に堆積するのを制御するように作動する。制御装置６１２はさらに、熱可塑性材料を加熱するヒータ６１８を制御するように作動する。制御装置６１２は、押出機６０４を通って動的ダイ６０６に入る複合材料の実質的に一定の流量を維持するように、オーガ６２０の速度を制御することができる。代替的に、制御装置６１２は、押出機６０４からの複合材料の体積流量を変化させるために、オーガ６２０の速度を変化させることができる。制御装置６１２はさらに、押出機６０４及び動的ダイ６０６の中のヒータ（図示せず）を制御することができる。形成される構造体部品に基づき、押出複合材料６２５を下部モールド６２６に供給する動的ダイ６０６について、所定のパラメータの組を定めることができる。パラメータは、流量制御要素６２４を選択的に位置決めして、台車６０８の移動が、生産される構造体部品を定めるキャビティ６３０に応じた複合材料の体積流量と位置的に同期するように、定めることができる。
【００５２】
台車６０８はさらに、制御装置６１２によって制御され、押出複合材料６２５を加熱又は溶融状態に維持するように作動可能なヒータ（図示せず）を含むことができる。制御装置は、必要な台車の速度を変えることによって、押出複合材料６２５が下部モールド６２６に供給されている間に、台車６０８を制御することができる。下部モールド６２６への押出複合材料６２５の供給が完了すると、制御装置６１２は、台車６０８をプレス６１０に動かす。次いで、制御装置６１２は、プレス６１０が、車輪６３４を損傷することなく上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けることができるように、上述のように軌道６３６から車輪６３４を解放する機構（図示せず）に信号を送る。
【００５３】
図６Ｂは、図６Ａの押出成形システム６００ａの別の例示的なブロック図である。押出成形システム６００ｂは、構造体部品を形成する下部モールド６２６を支持する台車６０８を受け入れるように作動可能な２つのプレス６１０ａ及び６１０ｂに対応するように構成される。２つの台車６０８は、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６によって複数の構造体部品を形成するために、軌道又はレール６３６によって支持できることを理解されたい。１つの実施形態においては、車輪６３４及びレール６３６を使用して台車６０８を移動させることができるが、他の移動機構を使用して台車６０８の移動を制御できることを理解されたい。例えば、コンベア、懸架装置、又は軌道駆動システムを使用して、台車６０８の移動を制御することができる。
【００５４】
制御装置６１２を複数の構造体部品に対応するように構成して、押出成形システム６００ｂが、異なるプレス６１０ａ及び６１０ｂによって異なる構造体部品を同時に形成できるようにすることができる。制御装置６１２は、複数の構造体部品を形成するように作動可能なパラメータを記憶することができるため、制御装置６１２は、汎用ソフトウェア・プログラムのパラメータを使用することによって動的ダイ６０６並びに台車６０８ａ及び６０８ｂの制御を簡単に変化させ、それにより、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６を用いて２つの異なる構造体部品を形成することができる。付加的なプレス６１０及び台車６０８を使用して、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６によってより多くの構造体部品を実質的に同時に生産できることを理解されたい。
【００５５】
図７は、台車６０８によって支持される下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させている動的ダイ６０６の例示的な分解図である。示されるように、動的ダイ６０６は、複数の流量制御要素６２４ａ〜６２４ｉを含む。流量制御要素６２４の数は、形成される構造体部品の解像度すなわち詳細さに応じて、増加又は減少することができることを理解されたい。示されるように、流量制御要素６２４は、各々の流量制御要素６２４に関連して、より多くの又はより少ない押出複合材料６２５の体積流量をもたらすために、異なる高さに位置決めされる。例えば、流量制御要素６２４ａは、複合材料が動的ダイ６０６のその区域を通過しないように、完全に閉鎖される。したがって、閉鎖された流量制御要素６２４ａに関する体積流量ｆaは、ゼロである。流量制御要素６２４ｂは、高さｈ1を有する開口部を形成するように開かれ、それにより、押出複合材料６２５ｂの体積流量ｆbを与える。同様に、流量制御要素６２４ｃは、より高い体積流量ｆcで下部モールド６２６上に出力される押出複合材料６２５ｃのためのより大きな開口部を形成するように開かれる。
【００５６】
流量制御要素６２４の各々に関連する押出複合材料６２５の濃淡の変化によって示されるように、流量制御要素６２４は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって形成される構造体部品に基づいて、動的に調節することができる。したがって、形成される構造体部品（例えば、ある領域全体にわたる深絞り）に基づき、流量制御要素６２４を調節して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２の限られた領域にわたって押出複合材料６２５の体積流量を変化させることができる。言い換えると、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって定められるキャビティ６３０に基づいて、複合材料層６２８の厚さを変えることができる。例えば、複合材料層領域６２８ａは、複合材料層領域６２８ｂより薄く、下部モールド６２６におけるキャビティ６３０の他の場所より深いドラフトを有するキャビティ６３０ａを充填するのに十分な厚さである。言い換えると、押出複合材料層６２８は、モールド６２６及び６３２によって定められるキャビティ６３０の深さに基づいて、動的に変化する。押出成形システム６００ａで実施することが可能な二軸制御プロセス及び三軸制御プロセスのいずれにおいても、押出複合材料６２５の体積流量と台車６０８の移動速度とに基づいて、押出複合材料層６２８を、厚さに関して動的に変化させることができる。
【００５７】
下部モールド上への押出複合材料の堆積は、生産される構造体部品に応じて、二軸又は三軸において堆積させる押出複合材料の量を制御することによって、行うことができる。二軸制御の場合には、台車の移動は、堆積の軸線に沿って様々な量で押出複合材料を堆積させるように、移動の軸線に沿って制御することができる。三軸制御の場合には、押出機の出力は、流量制御要素を含む動的ダイを使用することができ、それにより、移動の軸線に直角な軸線に沿って下部モールドの上に同時に堆積する異なる体積流量をもたらす。下部モールドの特定の場所に押出複合材料を堆積させるために、軸外制御又は非軸制御に関する他の実施形態を提供できることを理解されたい。
【００５８】
台車と、下部モールドに供給される複合材料とを制御することによって、厚い連続層から円又は楕円の細い輪郭に至るまで、あらゆるパターンを下部モールドに形成することができ、離散数学によって記述することができるあらゆる二次元形状を、材料を用いて描くことができる。さらに、所与の範囲に堆積させられる複合材料の体積が制御されるため、三次元パターンを生成して、例えば深いドラフト及び／又は隠しリブを伴う構造体部品を提供することができる。構造体部品が冷却されると、エジェクタを用いて固まった材料をモールドから押し出すことができる。本発明の原理は、２つ又はそれ以上の固有の部品を同時に生産できるように設計し、それにより、実質的に連続的な複合材料の流れを用いることにより生産効率を最大にすることができる。
【００５９】
押出成形プロセスの付加価値のある利点
押出成形システムを用いると、大型の長繊維強化プラスチック部品を、インライン式で、かつ、極めて低い処理コストで、生産することができる。押出システムの特徴によって、（１）材料融通性、（２）堆積プロセス、（３）低圧、及び（４）装置効率性を提供する強化プラスチック部品生産ラインが得られる。材料融通性は、インライン化合から材料コスト及び装置コストの両方を節減し、さらに材料特性の融通性をもたらす。堆積プロセスは、材料堆積プロセスに付加価値を付け、より複雑な形状（例えば、大きなドラフト及びリブ）、より良好な材料の流れ、モールドの中に大きなインサートを含ませる際の容易さを可能にする。低圧は、成形圧力の低減に向けられ、モールドと装置の両方の摩耗を減少させ、極めて小さな応力を構造体部品に閉じ込める。装置効率性は、同時に２つ又はそれ以上の全く異なるモールドを用いて押出システムの効率を向上させる能力をもたらし、それにより、生産作業を行うのに必要な装置の数を減少させる。さらに、本発明の原理による材料供給システムは、多くの既存の装置と統合することができる。
【００６０】
材料融通性
押出成形プロセスによって、幾つかの異なる種類の樹脂及び繊維を用いて特殊用途向けの複合材料配合物を化合することが可能になる。押出システムは、上述のように、幾つかの樹脂を用いて部品を生産することができる。従来の圧縮成形を用いる場合は、樹脂を繊維及び所望の添加剤と混合したブランクとして一般に知られる、予め製造された熱可塑性シートを、熱可塑性シート生産者から購入する。しかしながら、これらのブランクは、複数の中間業者を経るため、及び、通常は所定の混合物の状態でのみ販売されるため、高価である。本発明の原理による押出成形プロセスを利用することにより、これらのコストは、原材料を使用し、予め製造されたシートを購入する必要なく構造体部品を生産するインライン式化合プロセスによって、低減することができる。押出成形システムは、材料を予熱するオーブンを必要とせず、加熱されたシートをモールドに移動させるように作動するため、人件費及び装置費も大幅に低減する。運転員が必要に応じて化合比を制御するため、例えば、成形の間に特性を変化させる能力、又は段階的な色の変化を生成する能力を含むほぼ無限の融通性が、プロセスに加えられる。また、シート成形とは異なり、押出成形システムは、溶融強度を有する材料を必要とせず、これがシステムに付加的な融通性を与える。１つの実施形態においては、押出成形システムは、熱硬化性樹脂を使用して構造体部品を生産することができる。押出成形システムはまた、５０パーセントを超える達成可能な繊維の体積分率と、繊維長の８５パーセント又はそれ以上が原材料から最終的な部品まで維持された１インチから４インチ又はそれ以上の繊維長とで強化するために、上述のように、炭素、ガラス、及び他の繊維を含む様々な繊維材料を用いることができる。
【００６１】
堆積プロセス
本発明の原理による押出システムは、例えば深いドラフト又は隠しリブのためにより多くの材料が使用されることになるモールドの領域において、複合材料の可変配置（ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｌａｙ−ｄｏｗｎ）を可能にし、それにより、成形及び圧縮の際に使用される力を最小にする。複合材料の可変配置によって、当該技術分野において理解されるように、典型的な圧縮成形プロセスを用いる場合と比べて、より高い精度、より充填されたモールド、及び、より少数の「ショートショット」がもたらされる。可変配置によって、構造体部品の両側に成形される大きな構造部、並びに、構造体部品内へのインサート又は芯の配置を可能にする。最後に、材料は、（予めシートにされ、次いでモールドに圧入されるのとは対照的に）溶融状態でモールドの上に堆積されるときに相対的に極めて低い粘度を有するため、繊維は、捕捉されることも望ましくない方向になることもなく、容易にリブに入り、大きな寸法面積を覆うことができる。
【００６２】
低圧
押出成形プロセスの間に堆積する熱可塑性複合材料は、予め化合された加熱されシートからの熱可塑性複合材料より流動性が高く、したがって、熱可塑性複合材料をより簡単にモールドの中に流すことができる。モールドの中に堆積する複合材料の流動性は、他のほとんどの成形プロセスに優る、極めて低減された成形圧力要件につながる。圧縮成形に用いられる圧力である１平方インチ当たり１０００ポンドに対して、このプロセスのためのプレスは、一般に、１平方インチ当たり１００ポンドの範囲で作動する。この低い圧力は、より少ない摩耗につながり、それにより、モールドとプレスの両方に関する維持費を低減する。低い圧力のため、２００，０００ドル以上の経費がかかる可能性のあるスチール金型を必要とせず、３００，０００サイクルが可能なアルミニウムモールドをわずか４０，０００ドルで製造することができる。より安価な金型もまた、将来の設計変更にとって融通性の高さにつながる。熱可塑性樹脂は、低圧下でモールドの面の上に移って成形されるため、材料内には低い応力しか閉じ込められず、それにより、より良好な寸法公差とより少ない反りにつながる。
【００６３】
装置効率性
押出成形プロセスは、同時に稼働する２つ又はそれ以上のモールドを用いることができるため、第１のモールドを冷却し取り出すと同時に第２のモールドを充填し圧縮することができるので、部品当たりの平均サイクル時間が低減し、生産性が向上する。また、押出成形システムは、最小限の重複する構成要素を使用する。１つの実施形態においては、押出システムは、各々のモールドについて別個のプレスを使用するが、他の設備は、モールドの組の間で統合して共有し、ソフトウェアを容易に変更して、他のモールドを取り入れることができる。押出供給システム６００ａをさらに現在の製造設備に統合し、既存の圧縮モールド及びプレスを組み合わせることができる。
【００６４】
図８Ａは、複合材料を下部モールド６２６上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するのに使用することができる押出成形プロセスを説明する例示的なフロー図である。押出成形プロセスは、ステップ８０２において開始する。ステップ８０４において、熱可塑性材料を加熱して溶融した熱可塑性材料を作り、ステップ８０６において、繊維と配合して複合材料を作る。ステップ８０８において、溶融した複合材料は、動的ダイを通して供給され、下部モールド６２６上に重力降下する。二軸押出制御プロセスの場合は、ダイからの一定の出力を使用することができる。二軸プロセスにおいては、台車の移動は、一定の速度で維持される。三軸押出制御プロセスにおいては、動的ダイ６０６は、可変速の台車又はモールドと共に使用することができる。二軸押出制御プロセス及び三軸押出制御プロセスのいずれの場合も、ステップ８１０において、下部モールド６２６は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって定められるキャビティ６３０に必要な複合材料の量に合うように、複合材料を受け取りながら空間的及び時間的に移動することができる。ステップ８１２において、上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けて、複合材料を下部モールド６２６及び上部モールド６３２内でプレスする。プロセスは、ステップ８１４で終了する。
【００６５】
図８Ｂは、三軸制御押出成形プロセスによって、図６Ａの押出成形システム６００ａを使用して構造体部品を生産するための例示的なフロー図である。構造体部品生産プロセスは、ステップ８１６において開始する。ステップ８１８において、熱可塑性材料を受け取る。ステップ８２２において、熱可塑性材料を加熱する。１つの実施形態においては、熱可塑性材料は、溶けた状態又は溶融した状態まで加熱される。ステップ８２０において、所定の繊維長を有する繊維を受け取る。ステップ８２２において、繊維を加熱された熱可塑性材料と配合して、複合材料を作る。繊維を、ガラス又は他の補強材料でできた繊維の長いストランドとして、大型の構造体部品を形成することができる。例えば、長さが２分の１インチから４インチ又はそれ以上の繊維長を使用して、構造体部品を形成することができる。
【００６６】
ステップ８２６において、複合材料を押し出す。押出プロセスにおいては、複合材料を押し出すのに使用されるオーガ６２０又は他の機構は、繊維の損傷を実質的に回避すように構成して、元の繊維長が実質的に維持される（例えば、８５％又はそれ以上）ようにする。例えば、スクリュータイプのオーガ６２０を用いる場合には、ネジ山の間隔は、繊維の長さより長くなるようにそれにより、繊維の損傷を実質的に回避する。
【００６７】
ステップ８２８において、押出複合材料６２５は、下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の堆積を制御する平面を横切って、異なる体積流量で動的に出力される。ステップ８３０において、下部モールド６２６は、平面Ｐを横切る異なる体積流量に関して、押出複合材料６２５を受け取るように位置的に同期させることができる。１つの実施形態においては、モールド６２６の位置的同期は、一定の速度又は調節可能な速度で並進させることができる台車６０８の上方の高さｄに設置される流量制御要素６２４に従って行われる。例えば、一定の、すなわち、平らな押出複合材料層６２８を堆積させるために、台車６０８は、実質的に一定の速度で移動させることができるが、押出複合材料層６２８の体積を増加又は減少させるためには、台車６０８は、それぞれより遅い速度で、又はより早い速度で、移動させることができる。ステップ８３２において、押出複合材料層６２８となった押出複合材料６２５は、モールド６２６内でプレスされ、熱可塑性構造体部品を形成する。構造体部品形成プロセスは、ステップ８３４で終了する。
【００６８】
図９は、図６Ａにおける押出システム６００ａの構成要素内部で作動する制御装置と通信するように構成された制御装置６１２の例示的なブロック図９００である。制御装置６１２は、当該技術分野において理解されるように、デジタル及び／又はアナログの通信チャネルを用いて、双方向通信のための種々の制御装置と通信する。構成要素内部で作動する制御装置は、当該技術分野において理解されるように、プロセッサベースで作動する開ループ又は閉ループ制御ソフトウェアとすることができ、制御装置６１２に対するスレーブコンピュータとして作動する。代替的に、制御装置は、制御装置６１２に対するスレーブユニットとして作動する、アナログ回路又はデジタル回路といった非プロセッサベースの制御装置とすることができる。
【００６９】
フィーダ６１４は、複合材料Ｍ１と繊維材料Ｍ２とを混合するためのフィーダ６１４の速度及び温度を制御するように作動する速度及び温度制御装置９０２を含むことができる。フィーダ速度及び温度制御装置９０２は、モータ及びヒータを制御する単一又は複数の制御装置で構成することができる。制御装置６１２は、フィーダ６１４の速度及び温度を指定又は命令するように作動し、一方、フィーダ６１４の速度及び温度制御装置９０２は、制御装置６１２から受けた命令を実行するように作動する。例えば、動的ダイ６０６を介して押し出されている複合材料の量に基づいて、制御装置６１２は、押出機６０４に送られる材料Ｍ１及びＭ２の速度を大きくすることができる。
【００７０】
制御装置６１２はさらに、ヒータ制御装置９０４と通信する。制御装置６１２は、ヒータ制御装置９０４から受信したフィードバックデータに基づいて、制御データをヒータ制御装置９０４に送信することができる。例えば、送り動作の間にヒータ制御装置９０４の温度が下がった場合には、制御装置６１２は、ヒータ６１８の温度を上げるように、制御データ１０１８によってヒータ制御装置９０４に命令を出すことができる。代替的に、ヒータ制御装置９０４は、当該技術分野において理解されるようなフィードバック調整回路を使用して、温度を、制御装置６１２によって命令された温度に調整し、監視目的で単に温度を制御装置６１２に報告することができる。
【００７１】
制御装置６１２はさらに、押出機速度及び温度制御装置９０６と通信し、オーガ６２０の速度及び押出機６０４の温度の制御を行う。押出機速度及び温度制御装置９０６は、押出機６０４の領域内部の複数のヒータを制御し、各々のヒータの温度を制御装置６１２に送信するように作動可能とすることができる。押出機速度及び温度制御装置９０６は、複数の制御装置で構成できることを理解されたい。
【００７２】
制御装置６１２さらに、動的ダイ６０６の流量制御要素６２４を制御する動的ダイ制御装置９０８と通信する。動的ダイ制御装置９０８は、流量制御要素６２４の各々を、まとめて又は個々に制御するように作動することができる。代替的に、流量制御要素６２４の各々は、別個の制御装置によって個々に制御することができる。したがって、制御装置６１２は、開ループ方式で、流量制御要素６２４の各々についての位置を設定するために、動的ダイ制御装置９０８に命令を出すように作動することができる。例えば、ステッピングモータを開ループ方式で使用することができる。各流量制御要素６２４の実際の位置は、制御装置６１２が流量制御要素６２４の位置を制御するのに利用するために、フィードバックデータ１０２２によって制御装置６１２に返信することができる。
【００７３】
制御装置６１２はさらに、台車６０８と結合され、台車６０８の位置と下部モールド６２６の温度とを制御するように作動可能な台車制御装置９１０と通信する。制御装置６１２は、台車６０８を制御装置６１２によって命令された位置まで駆動するサーボとして作動する台車制御装置９１０に制御信号１０１８を与えることができ、押出複合材料６２５を下部モールド６２６上に堆積させる場合には、それに応じて下部モールド６２６を位置決めする。下部モールド６２６上に堆積する押出複合材料層６２８は、堆積時には溶融しているが、最初に堆積した押出複合材料層６２８は、後の押出複合材料６２５が堆積するにつれて冷却されるようになる。したがって、制御装置６１２は、押出複合材料６２５の堆積の時間及び／又は熱可塑性材料Ｍ１の溶融状態温度要件などの他の因子に基づいて、押出複合材料層６２８の温度を実質的に一定の温度に維持するように、制御データ１０１８を台車制御装置９１０に送信することができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、台車６０８の現在の温度並びに位置及び速度の状態と、下部モールド６２６の温度とを与えることができる。
【００７４】
制御装置６１２はさらに、押出成形システム６００ａのヒータ及び／又はクーラの温度を制御するように作動可能な加熱／冷却制御装置９１２と通信することができる。加熱／冷却制御装置９１２は、熱可塑性材料Ｍ１、周囲温度、生産されている構造体部品の性質、生産速度などといった多数の因子に基づいて、該加熱／冷却制御装置９１２に特定の温度又は可変温度で作動するように命令する制御データ１０１８を、制御装置６１２から受信することができる。加熱／冷却制御装置９１２は、システムレベルのヒータ及びクーラ、又は、構成要素レベルのヒータ及びクーラを制御することができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、現在の温度と、ヒータ及びクーラの状態とを与えることができる。
【００７５】
制御装置６１２はさらに、上部モールド６３２のプレス動作及び温度を制御するように作動可能なプレス制御装置９１４と通信することができる。プレス制御装置９１４は、プレス６１０の製造者がプレス６１０と共に提供する標準的な制御装置とすることができる。同様に、プレス制御装置９１４は、上部モールド６３２の温度を制御する温度制御装置を含むものとすることができる。代替的に、温度制御装置は、プレス６１０の製造者によって提供されるプレス制御装置９１４とは無関係なものとすることができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、プレスの現在の位置及び力と、上部モールド６３２の温度とを与えることができる。
【００７６】
制御装置６１２はさらに、成形された構造体部品の取り出し動作を制御するように作動可能な取出ツール制御装置９１６と通信することができる。プレス６１０がプレス動作を完了したというプレス制御装置９１４からの通知を制御装置６１２が受信したことに応答して、制御装置６１２は、成形された構造体部品の取り出しを開始するように、制御信号１０１８を取出ツール制御装置９１６に送ることができる。したがって、フィードバックデータ１０２２を使用して、取出ツールの現在の動作を示すことができる。フィードバックデータ１０２２が、取出ツールが成形された構造体部品を取り出すのが困難であることを示す場合には、押出成形システム６００ａのオペレータは、取出ツール、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２、プレス６１０、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２のヒータ若しくはクーラ、又は、押出成形システム６００ａの他の構成要素若しくは機能に関して、問題が存在することを通知することができる。
【００７７】
制御装置６１２は、押出成形システム６００ａの構成要素の各々についての主制御装置となるように構成することができるが、制御装置６１２は、より分散型の制御装置として構成要素を管理するように構成できることを理解されたい。言い換えると、構成要素の制御装置は、機能を実行するように制御装置６１２によって命令されるサーボとしてではなく、生産されている構造体部品のパラメータを用いて動作パラメータ及び制御パラメータを計算する、より知的な制御装置として作動することができる。例えば、押出成形システム６００ａが、台車６０８に結合するようにもしないようにもできる静止した下部モールド６２６に対して押出機６０４の出力を変えるか又は動かすように構成された場合には、制御装置６１２は、台車６０８の移動ではなく押出機６０４の出力の動きを制御するようにプログラムすることができる。
【００７８】
図１０は、図６Ａの制御装置６１２の例示的なブロック図である。制御装置６１２は、メモリ１００４及びユーザインターフェース１００６に結合されたプロセッサ１００２を含む。ユーザインターフェース１００６は、タッチスクリーン、電子ディスプレイ及びキーボード、ペンベースのインターフェース、又は、当該技術分野において理解される他のいずれかのユーザインターフェースとすることができる。プロセッサ１００２はさらに、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニットと、情報をデータベース又はファイル１０１２ａ〜１０１２ｎ（まとめて１０１２）に記憶する記憶ユニット１０１０とに結合される。データベース１０１２は、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２に関連するデータなどの、押出成形システム６００ａを制御するための制御パラメータを記憶するのに使用することができる。データベース１０１２はさらに、押出システム６００ａの作動の間に押出システム６００ａからフィードバックされるデータを記憶するのに使用することができる。
【００７９】
プロセッサ１００２は、押出成形システム６００ａの種々の構成要素を制御し、データベース１０１２を管理するのに使用されるソフトウェア１０１４を実行するように作動可能である。押出成形システム６００ａを制御する場合には、ソフトウェア１０１４は、Ｉ／Ｏユニット１００８及び制御バス１０１６を介して押出成形システム６００ａと通信する。制御データ１０１８は、制御バス１０１６を通るデータパケット及び／又はアナログ制御信号によって、押出成形システム６００ａに送信される。制御バス１０１６は、各々が押出成形システム６００ａの異なる構成要素と関連する複数の制御バスで構成できることを理解されたい。制御バス１０１６は、シリアルプロトコル又はパラレルプロトコルを使用して作動できることをさらに理解されたい。
【００８０】
単一バス構造又は複数バス構造とすることができるフィードバックバス１０２０は、作動の間に押出成形システム６００ａからデータ１０２２をフィードバックするように作動可能である。フィードバックデータ１０２２は、温度、位置、速度、レベル、圧力、又は押出成形システム６００ａから測定される他のセンサ情報といったセンサデータとすることができる。したがって、Ｉ／Ｏユニット１００８は、押出成形システム６００ａからフィードバックデータ１０２２を受信し、ソフトウェア１０１４によって利用するためにフィードバックデータ１０２２をプロセッサ１００２に送信するように作動可能である。ソフトウェア１０１４は、フィードバックデータをデータベース１０１２に記憶し、フィードバックデータ１０２２を使用して押出成形システム６００ａの構成要素を制御することができる。例えば、ヒータ制御装置９０４によって制御装置６１２にフィードバックされるヒータの温度について、ヒータ６１８の温度があまりに低くなった場合には、制御装置６１２は、ヒータの温度を上げるように、制御データ１０１８によってヒータ６１８に命令を出すことができる。制御装置６１２又は構成要素（例えば、ヒータ）は、構成要素の制御又は調整を行うために、当該技術分野において理解される自動制御システムを含むものとすることができる。
【００８１】
作動中に、制御装置６１２は、押出成形システム６００ａによって１つ又はそれ以上の構造体部品を生産するための制御パラメータを記憶することができる。例えば、キャビティ６３０の寸法などの、モールド６２６及び６３２のパラメータに関連するデータを、データベース１０１２に記憶することができる。様々な構造体部品について複数のパラメータの組を記憶することによって、押出成形システム６００ａを使用して、実質的に同時に構造体部品を形成することができる。プロセッサ１００２は、実質的に同時に構造体部品を形成するように、異なるパラメータの組を平行して用いてソフトウェア１０１４を実行することができる。すなわち、１つの構造体部品がプレスされているときに、押出複合材料６２５を下部モールド６２６上に与えることによって動的ダイ６０６を介して別の構造体部品を形成することができる。
【００８２】
図１１は、プロセッサ１００２によって実行されるソフトウェア１０１４の例示的なブロック図である。システムマネージャ１１００が、制御装置６１２の様々な状況を管理するように作動可能である。システムマネージャ１１００は、オペレータインターフェース１１０２、システムドライバ１１０４、及びデータベースマネージャ１１０６とインターフェース接続される。
【００８３】
オペレータインターフェース１１０２は、押出成形システム６００ａを手動で制御するか、又は、構造体部品を生産するためのプログラム及び／又はプロファイルを構築するために、押出成形システム６００ａのオペレータにインターフェースを提供するのに使用される。オペレータインターフェース１１０２は、予めプログラムされているときには構造体部品を生産するためのプログラムをオペレータが選択できるようにするプログラムセレクタ１１０８と通信する。例えば、押出成形システム６００ａを制御して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２に従ってパレットの設計者によって定められたパレットを生産するために、パレットを生産するように構築されたプログラムをオペレータインターフェース１１０２を介してオペレータによって選択することができる。１つの実施形態においては、プログラムセレクタ１１０８は、構成部品を制御するための特定のパラメータの組を使用して押出成形システム６００ａを制御することによって特定の構造体部品を生産する汎用プログラムを単に選択するだけである。プログラムセレクタ１１０８は、オペレータが、特殊な構造体部品を形成するために特殊なパラメータの組を選択する、及び／又は、構造体部品を形成するためのプロセスを変更するようにパラメータを編集することを可能にする、パラメータセレクタ／エディタ１１１０と通信することができる。パラメータセレクタ／エディタ１１１０は、様々な異なるパラメータデータファイルから、異なる構造体部品を形成するために押出成形システム６００ａの構成要素を駆動する制御装置６１２が利用可能な特殊なパラメータの組を選択するために、データベースマネージャ１１０６とインターフェース接続することができる。例えば、データベースマネージャ１１０６は、パレット、Ｉ−ビーム、バックボードなどを生産するためのパラメータの組にアクセスすることができる。押出成形システム６００ａの構成要素の各々は、汎用ドライバによって制御することができ、それに応じて、構造体部品を生産するために選択されたパラメータは、押出成形システム６００ａの構成要素の各々の動作を変えられることを理解されたい。
【００８４】
システムドライバ１１０４は、当該技術分野において理解されるように、押出成形システム６００ａの構成要素を統合するのに使用することができる。例えば、個々のシステムドライバ１１０４を使用して、フィーダ６１４、ヒータ６１８、押出機６０４、動的ダイ６０６、台車６０８、及びプレス６１０を制御することができる。システムドライバ１１０４は、押出成形システム６００ａのオペレータによってカスタマイズできるものとするか、又は、プレス６１０のように特定の構成要素の製造者によって提供される汎用ドライバとすることができる。構造体部品を生産する押出成形システム６００ａの作動の際に、システムドライバ１１０４は、構造体部品を生産するように選択されたパラメータを使用して、押出成形システム６００ａの構成要素を駆動することができる。
【００８５】
押出成形システム６００ａの構成要素を制御する際には、データベース１０１２と状態警報フィードバックマネージャ１１１４とを使用して、押出成形システム６００ａの構成要素の各々についてフィードバック制御を行う。例えば、ヒータ６１８は、温度センサ（図示せず）によって実際の温度をフィードバックすることができる。ヒータ６１８の測定温度に基づいて、ヒータ６１８を制御するのに使用されるシステムドライバ１１０４は、実際の温度測定値に従ってヒータ６１８の温度を上昇又は下降させることができる。したがって、他のセンサは、押出成形システム６００ａ内の構成要素の各々及び／又は複合材料の、温度、圧力、速度、重量、位置などをフィードバックするのに使用することができる。構成要素の致命的な故障の場合には、警報が制御装置６１２にフィードバックされ、状態警報フィードバックマネージャ１１１４によって検出される。警報が重大な故障であると判断された場合には、システムドライバ１１０４は、ハードウェアの損傷とオペレータの負傷とを防止するために、押出成形システム６００ａの１つ又はそれ以上の構成要素を停止することができる。こうした警報に応答して、システムマネージャ１１００は、オペレータインターフェース１１０２を起動して故障を表示し、修正措置に関する注意などを提供することができる。
【００８６】
図１２は、流量制御要素６２４ａ〜６２４ｆ及びグリッド１２０２に区切られた下部モールド６２６の例示的な概略図である。グリッド間隔は、ｙ軸に沿って（間隔１〜５として示される）流量制御要素６２４により定められ、ｘ軸に沿って間隔ａ〜ｅにより定められる。ｙ軸に沿ってより多くの流量制御要素６２４を使用し、ｘ軸に沿ってより小さな間隔を定めることによって、より解像度の高いグリッドが得られることを理解されたい。形成される具体的な構造体部品に応じて、より高い解像度か又はより低い解像度が望ましく、より高い解像度又はより低い解像度を定めるようにオペレータによって設定されるパラメータは、構造体部品を生産するのに用いるために、データベースマネージャ１１０６を介して制御装置６１２に記憶することができる。
【００８７】
表２〜表１０は、押出成形システム６００ａの構成要素を制御するのに使用される例示的なデータ表である。具体的には、表は、構成要素を制御するための制御データ１０１８と、構成要素から制御装置６１２が受信したフィードバックデータ１０２２とを提供する。表２は、熱可塑性複合材料Ｍ１と、繊維材料Ｍ２と、構造体部品を形成する他のいずれかの材料（例えば、色）とを送るのに用いられるフィーダ６１４の制御のために提供される。示されるように、制御データ１０１８は、各々のフィーダ６１４が材料を押出成形システム６００ａに供給している速度を含み、フィードバックデータ１０２２は、現在各々のフィーダ６１４内にある材料のレベルを含む。押出成形システム６００ａの作動の間に、フィーダ６１４から供給される材料の速度が制御され、フィーダ６１４内の材料のレベルが測定され、オペレータは、追加の材料をフィーダ６１４に加えることができるように、フィーダ６１４内で最低量に達したことに応答して、材料のレベルの通知を受けることができる。
【００８８】
【表２】
【００８９】
表３は、押出機６０４におけるヒータの温度制御を示す例示的な表である。押出機６０４が、７つの温度領域１〜ｎを有するものとして定められる場合には、各々の領域の温度は、加熱若しくは冷却、オン若しくはオフ、及び／又は、特定の温度（図示せず）に設定されるように定められる押出機温度制御によって設定することができる。フィードバックデータ１０２２は、押出機６０４の各領域の実際の温度を含むことができる。したがって、温度センサは、押出機６０４の各々の領域に組み込まれ、検出された温度は、フィードバック制御のためにフィードバックバス１０２０を介して制御装置６１２にフィードバックされる。
【００９０】
【表３】
【００９１】
表４は、押出機６０４内で作動するオーガ６２０を駆動するモータ（図示せず）の速度制御を示す例示的な表である。制御データ１０１８は、モータを駆動するために設定する速度データを含む。モータの実際の速度及び負荷は、フィードバックデータ１０２２によって、制御データ１０１８を介して押出機６０４のオーガ６２０の速度を制御するのに使用されるシステムドライバ１１０４にフィードバックされる。
【００９２】
【表４】
【００９３】
表５は、動的ダイ６０６のヒータの温度制御を定める。制御データ１０１８は、動的ダイ６０６内部の領域１〜ｎによって定めることができる。押出機６０４の温度制御と同様に、ヒータ６１８は、動的ダイ６０６内部の異なる領域の温度を制御及び／又は調整するために、加熱及び冷却制御、及び／又は、オン及びオフ設定を含むことができる。したがって、フィードバックデータ１０２２は、動的ダイ６０６の制御のために、動的ダイ６０６内部の領域の各々についての実際の温度を含むことができる。
【００９４】
【表５】
【００９５】
表６は、動的ダイ６０６の流量制御要素６２４の制御のための例示的なデータである。示されるように、制御データは、流量制御要素１〜ｎと、各々の流量制御要素６２４について１〜ｍの範囲の位置とを含む。流量制御要素６２４は、ほぼ無限の数の位置を有するものすることができることを理解されたい。しかしながら、実際上、流量制御要素の位置は、典型的には、例えば０〜６インチまでの範囲の４分の１インチごとなどのように、ある所定の位置を持つように設定される。流量制御要素６２４の位置を制御する場合には、ステッピングモータ又は他の種類のモータを使用することができる。制御装置６１２によって動的ダイ６０６に送信される制御データ１０１８間の位置の偏差を、当該技術分野において理解されるようにフィードバックデータ１０２２を介してフィードバックループによって修正することができるように、流量制御要素６２４についてのフィードバックデータ１０２２は、流量制御要素６２４の現在の位置を含む。
【００９６】
【表６】
【００９７】
表７は、下部モールド６２６の温度制御を示す例示的な表である。同様の表を、上部モールド６３２の温度を制御するのに使用できることを理解されたい。示されるように、下部モールド６２６は、多数の領域１〜ｎに分割することができ、ヒータ及び／又はクーラを各々の領域に適用して、制御データ１０１８によって命令されるように下部モールド６２６を加熱及び冷却することができる。したがって、制御装置６１２によってフィードバック制御を実行して、下部モールド６２６の温度を調整することができるように、フィードバックデータ１０２２は、下部モールド６２６の実際の温度を提供することができる。例えば、押出複合材料６２５が下部モールド６２６に加えられるときに、領域全体にわたって下部モールド６２６の温度を調整して、複合材料が下部モールド６２６上に堆積し、モールド６２６及び６３２から構造体部品が取り出されるまで、時間及び他の要因に基づいて押出複合材料層６２８の温度を調整することができる。
【００９８】
【表７】
【００９９】
表８は、台車６０８を制御するための例示的な制御パラメータを示す例示的な表である。示されるように、制御データ１０１８は、台車６０８の位置制御、速度制御、及びリフト制御を含む。台車６０８の動きを制御するために付加的な制御データ１０１８を含むことができることを理解されたい。例えば、加速度、回転位置若しくは角度位置、又は他の動的制御データを使用して、下部モールド６２６上に堆積又は重力降下している押出複合材料６２５の投入に対して下部モールド６２６を適切に位置合わせするように、台車６０８を移動又は同期させることができる。台車６０８についてのフィードバックデータ１０２２は、台車６０８の実際の位置及び現在の速度を含むことができる。リフト制御データは、下部モールド６２６への押出複合材料６２５の堆積の際に、及び押出複合材料層６２８をプレス６１０によってモールド６２６及び６３４内でプレスする際に、それぞれ台車６０８の車輪６３４を係合及び解放するのに使用することができる。車輪６３４がリフト機構（例えば、空気チューブ）によって解放されるまでプレス６１０が始動しないことを確実にするために、リフトの実際の位置をフィードバックすることができる。
【０１００】
【表８】
【０１０１】
表９は、プレス６１０の制御を示す例示的な表である。制御データ１０１８は、ロック制御データ及びサイクルプレス時間を含むことができる。フィードバックデータ１０２２は、プレス６１０内の台車６０８の位置と、プレス盤の位置とを含むことができる。プレスを制御するために、他の制御パラメータ及びフィードバックパラメータをさらに含むことができる。例えば、上部モールド６３２の温度制御、プレス６１０の力などを含むこともできる。
【０１０２】
【表９】
【０１０３】
表１０は、プレスの完了後に、及び必要に応じて、構造体部品を形成する際の冷却プロセスの完了後に、モールド６２６及び６３２から形成された構造体部品を取り出す取出ツール（図示せず）の制御のための例示的な表を示す。制御データ１０１８は、取り出し開始サイクルを含むことができ、フィードバックデータ１０２２は、単一の取出ツール位置を含むことができる。複数の取出ツール、又は、１つの取出ツールの要素を使用することができ、他のセンサによるフィードバックデータを検出して制御装置６１２にフィードバックできることを理解されたい。
【０１０４】
【表１０】
【０１０５】
図１３は、複合材料を図６Ａの下部モールド６２６の上に堆積させるように位置合わせされた流量制御要素６２４ａ〜６２４ｉの上面図である。示されるように、流量制御要素６２４は、ｙ軸に沿って位置決めされ、押出複合材料６２５を下部モールド６２６の上に堆積させるための三軸制御を行う。したがって、押出複合材料６２５を堆積させるためのｘ軸制御は、流量制御要素６２４の下において異なる速度で台車６０８の移動を制御することによって行うことができ、押出複合材料６２５を堆積させるためのｙ軸制御は、流量制御要素６２４の調節によって行うことができ、押出複合材料６２５を堆積させるためのｚ軸制御は、ｘ軸及びｙ軸に沿って押出複合材料６２５の堆積を制御することによって行うことができる。
【０１０６】
押出複合材料６２５を堆積させるための、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿った制御は、（１）押出機６０４からの複合材料の体積流量を、オーガ６２０の回転速度によって制御すること、（２）台車６０８の移動の速度を単一の軸で制御すること、（３）単一の流量制御要素６２４又は一様に作動する複数の流量制御要素６２４を有する押出機６０４の出力の開口部を制御すること、（４）複数の流量制御要素６２４を個々に制御すること、及び（５）台車６０８の動きを複数の軸で制御すること、を含む様々な技術を用いて行うことができる。これらの技術の各々は、他の変数が一定に維持されるものと仮定している。例えば、技術（１）は、押出機６０４の出力開口部が固定されており、台車６０８が出力開口部の下を一定の速度で移動するものと仮定している。技術（２）は、押出機６０４からの複合材料の体積流量が一定であり、押出機６０４の出力開口部が固定されているものと仮定している。しかしながら、技術（１）、（２）、及び（４）を組み合わせた図６Ａに関して説明したように、これらの技術を組み合わせて、下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の配置をさらに制御できることを理解されたい。技術（５）は、下部モールド６２６に関するｘ軸及びｙ軸を制御するだけでなく、ｚ軸及びいずれかの数の軸周りの回転を制御することも含む。技術（５）を用いて下部モールド６２６に関するこうした制御を行うことによって、他の方法では不可能な場合もある様々な構造体部品を形成することができる。要するに、本発明のプロセスの様々な要素の全体的なコンピュータ制御は、押出プロセスと所望の部品の生産との調整、及び、プロセス全体の作動性に関して、重要な役割を果たす。
【０１０７】
最後に、下部モールド６２６の移動を制御するのではなく、押出機６０４からの出力開口部を移動させることによって、静止した又は移動する下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させることができる。例えば、レール又は他の機械的構造に沿って移動する出力開口部を制御して、下部モールド６２６上の特定の場所に複合材料を堆積させることができる。こうした機構の例として、レーザジェットプリンタがある。
【０１０８】
再び図１３を参照すると、流量制御要素６２４と、動的ダイ６０６の下を通過する下部モールド６２６との関係が示されており、右側のインチ表示の数字は、動的ダイ６０６の下を通過する台車６０８の位置と対応する。下部モールド６２６は台車６０８より小さいため、下部モールド６２６は、台車６０８内の１０インチの位置から始まる。表１１及び表１２は、流量制御要素６２４についての速度制御及びゲート制御のためのパラメータを示す例示的な表である。このパラメータは、押出成形システム６００ａを用いてパレットを生産するのに使用する用いることができる。
【０１０９】
【表１１】
【０１１０】
【表１２】
【０１１１】
表１１及び表１２は、流量制御要素６２４と台車６０８の移動との間の位置同期を示す。２つの構成要素（すなわち、動的ダイ６０６及び台車６０８）の間の動きを調整することによって、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０の容積によって規定されるとおりに、下部モールド６２６に沿った位置に押出複合材料６２５を堆積させることができる。言い換えると、押出複合材料６２５を下部モールド６２６の上に堆積させて、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を満たすのに十分な厚さの押出複合材料層６２８を形成し、それにより、構造体部品の特定の場所に深いドラフトと隠しリブを形成する能力を提供する。
【０１１２】
図１４は、図６Ａの押出成形システム６００ａによって生産されるパレット１４００の隅部の例示的な上面斜視図である。示されるように、パレット１４００の基部１４０２のドラフトすなわち深さｄ1は、パレット１４００の足１４０４の深さｄ2より浅い。本発明の原理を用いて下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の堆積を制御することによって、補強材料Ｍ２（例えば、長ストランド繊維）を用いて、特定の領域により深いドラフトｄ2を有する、足１０４０のような構造を持つ大型の構造体部品を形成することができる。
【０１１３】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、それぞれ、隠しリブ１５０２ａ〜１５０２ｅ（まとめて１５０２）を有するプラットフォーム１５００の例示的な底面斜視図及び上面斜視図である。示されるように、隠しリブ１５０２は、高さは様々であるが、１つ又はそれ以上の領域上に一定の体積を有する。したがって、隠しリブ１５０２を有する領域上にはより多くの押出複合材料６２５を堆積させ、隠しリブ１５０２のない領域上にはより少ない押出複合材料６２５を堆積させる。プラットフォーム１５００は、押出成形システム６００ａを用いて単一成形の複合材料構造体として形成されるため、複数の部品で構成されるプラットフォームと比べて構造的な脆弱性が低い。
【０１１４】
挿入技術
形成する大型部品に強度を与えるために繊維を配合した複合材料を用いて構造体部品を形成することに加えて、さらに、特定の領域に挿入又は埋め込まれた、付加物、ファスナ、及び／又は、補強材といった他の成分を有することによって構造的に改良される構造体部品がある。例えば、相互接続性を備えるべき構造体部品は、強力で信頼性の高い相互接続をもたらすように、複合材料から延びる金属部品を使用することがある。１つのこうした構造体部品は、図１６Ａに示されるような、スケートリンク用の床仕上げ材１６００の一部である。床仕上げ材１６００は、熱可塑性材料Ｍ１及び繊維Ｍ２で作ることができる熱可塑性材料１６０２と、金属で作られるファスナ１６０４とを含む。
【０１１５】
床仕上げ材１６００を形成する場合には、押出複合材料層６２８がファスナ１６０４との結合層１６０６を形成してファスナの位置を保持するように、ファスナ１６０４を下部モールド６２６の中に位置決めするか又は配置する。ファスナ１６０４を床仕上げ材１６００にさらに固定するために、ファスナ１６０４に穴（図示せず）を設けて、押出複合材料層６２８がその穴を埋めることができるようにする。形成プロセスの際には、押出成形プロセスの間にファスナ１６０４の位置を保持するように、下部モールド６２６の中にアクチュエータを配置し、押出複合材料層６２８がまだ溶融状態の間に、制御装置６１２によってアクチュエータをはずすことができる。代替的に、ファスナ１６０４は、上部モールド６３２の中に配置できることを理解されたい。
【０１１６】
図１６Ｂは、救急医療師によって用いられることが多い脊柱矯正板１６１０の例示的な一部である。脊柱矯正板１６１０は、複合材料１６１２で作られ、複合材料１６１２の中に封入された挿入物１６１４を含む。挿入物１６１４は、脊柱矯正板１６１０が強化され、軽量化され、ｘ線を通すように、カーボンファイバチューブとすることができる。挿入物を封入する場合には、下部モールド６２６は、押出複合材料層６２８が挿入物１６１４との結合層１６１６を形成する間に、挿入物１６１４を所定の位置に保持するアクチュエータ又は簡単なピンを有することができる。この場合も同様に、押出複合材料層６２８がアクチュエータ又はピンによって残されるあらゆるボイドを埋めるように、押出複合材料層６２８が溶融状態にある間に、アクチュエータ及び／又はピンをはずすことができる。挿入物１６１４は、特定の用途又は形成される構造体部品に基づいて、実質的にいずれかの材料とすることができることを理解されたい。
【０１１７】
図１７は、図６Ａの押出成形システム６００ａを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を構造体部品に埋め込む又は挿入するための工程を説明する例示的なフロー図１７００である。挿入プロセスは、ステップ１７０２において開始する。ステップ１７０４において、下部モールド６２６又は上部モールド６３２のいずれかの中に挿入物を配置する。ステップ１７０６において、下部モールド６２６の上に、溶融した押出複合材料６２５を堆積させる。形成される構造体部品に挿入物を固定するために、ステップ１７０８において、挿入物の少なくとも一部の周囲に押出複合材料を形成する。１つの実施形態においては、挿入物は、押出複合材料６２５の中に封入されるか、又は完全に埋め込まれる（例えば、図１６Ｂを参照されたい）。代替的に、挿入物の一部が構造体部品から延びるように、挿入物の一部のみが押出複合材料６２５の中に埋め込まれる。
【０１１８】
ステップ１７１０において、いずれかの支持体を用いて下部モールド６２６又は上部モールド６２３の中に挿入物を配置する場合には、支持体を除去する。アクチュエータ制御のもの、簡単な機械ピン、又は、下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させる間に挿入物を支持できる他の機構とすることができる支持体は、ステップ１７１２において押出複合材料層６２８が固まる前に、除去される。押出複合材料層６２８は、プレス、真空引き、又は構造体部品を形成する他の工程の間に、自然冷却又は強制冷却することによって固めることができる。押出複合材料層６２８が固まる前に支持体を除去することによって、支持体によって生じる隙間を埋めることができ、それにより、構造体部品に支持体の跡も弱い所も残さない。ステップ１７１４において、少なくとも一部が埋め込まれた挿入物を有する構造体部品を、モールド６２６及び６３２から取り出す。ステップ１７１６において、挿入プロセスは終了する。
【０１１９】
本発明の別の実施形態においては、挿入物が、請求の範囲に記載されている発明のプロセスによって封入される。図１７において説明されるプロセスと類似する方法で、請求の範囲に記載されている押出成形システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を押出熱可塑性材料に封入することができる。本発明の他の実施形態においては、請求の範囲に記載されている押出成形システムを使用して、様々な厚さの複数の材料層を順に重ねて堆積させることができる。具体的には、熱可塑性材料の第１の層を下部モールドの中に押し出し、その後、同じ熱可塑性材料又は異なる熱可塑性材料の第２の層を、第１の層の上に層状に重ねる。本発明の特定の実施形態においては、第１の押出層に第２の押出層を層状に重ねる前に、又はその代わりに、第１の押出層の上に挿入物を置くことができる。この「積層」形態は、熱可塑性材料と、同一の又は異なる成分と、異なる挿入材料との複数の層を有する構造体の形成を容易にすることができる。
【０１２０】
有利なことに、本発明は、隆起した三次元中実構造部を有する物品の成形を可能にする。こうした隆起構造部の限定されない例として、隠しリブ、柱、取り付け柱、及びタブが挙げられる。
【０１２１】
物品は、必要に応じて、付加的な安定性及び強度をもたらす内部強化挿入物を有するものとすることができる。強化挿入物の例は、管、棒、及び網であるが、あらゆる種類の内部支持構造体を用いて強化することができる。強化挿入物は、あらゆる種類の形状又は構造を持つものとすることができる。例えば、強化挿入物の断面形状は、円形、半球形、星形、又は四角形とすることができるが、これらに限定されるものではない。強化挿入物はまた、炭素、金属、合成物質、プラスチック、又は、木材などの有機物質といったあらゆる種類の材料で作ることができる。
【０１２２】
本発明を用いて、ｘ面、ｙ面、及びｚ面の少なくとも１つが０．５フィートより長い物品などの大型物品を得ることができる。特定の実施形態においては、１フィート、２フィート、及び３フィートより長い寸法を有する大型物品を得ることができる。大型物品は、重量があるものとすることもでき、１０ポンドより重いものとすることができる。特定の実施形態においては、２０ポンド又は２５ポンドより重い物品を作成することができる。
本発明のさらなる実施形態は、以下に示される例から明らかとなるであろう。
【実施例】
【０１２３】
例１
本発明の実施形態においては、（６つの加熱領域と標準的なＰＥＴスクリュを備えた）直径４ １／２インチの単軸押出機を用いて、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社のポリプロピレン樹脂（ＣＯＰ３５４１）を、Ｊｏｈｎｓ−Ｍａｎｖｉｌｌｅ社の長さ１／２インチのグラスファイバと化合した。樹脂／ガラス混合物は、７０％のポリプロピレンと３０％のガラスで構成された。押出機の領域は、電気によって加熱され、以下の温度、すなわち、領域１＠３５０Ｆ、領域２＠３７５Ｆ、領域３＠４００Ｆ、領域４＠４５０Ｆ、領域５＠４７５Ｆ、領域６＠５０５Ｆに制御された。樹脂基体へのグラスファイバの結合を強化するために、結合剤（Ｐｏｌｙｂｏｎｄ）をガラス樹脂混合物に２％程度添加した。
【０１２４】
遮るもののない搬送パイプによって、各ゲートを通して押し出されるポリマーメルトの厚さを変えることが可能な個別制御ゲートを有する、水平に取り付けられ加熱された多ゲート型シート押出ダイに、加熱された混合物を進めた。押出プロセスを通して、ゲートダイ内部において、溶融した混合物を５０５°Ｆに保持した。溶融した樹脂／ガラス押出体を、水平に移動可能な加熱されたマッチドモールドの半モールドの上に重力によって堆積させた。溶融した混合物の堆積は、水平に取り付けられたシートダイのゲートの開閉と、水平に取り付けられたマッチドモールドの半モールドの制御された移動との組み合わせによって制御した。移動可能なモールドの表面の各点に堆積する溶融した材料の正確な幅、長さ、及び深さを調整するために、コンピュータプログラム及び電気制御を用いて、押出プロセスの間におけるダイのゲートの開閉及びマッチドモールドの半モールドの移動を行った。その際、結果として得られる、モールドの中に堆積した溶融材料は、所望の最終的な成形製品の溶融した「ニアネットシェイプ」配置になっている。
【０１２５】
樹脂／ガラス混合物の「ニアネットシェイプ」溶融堆積が完了すると、マッチドモールドの充填された半モールドは、台車システムを用いて、成形部品の最終的な圧密のための圧縮プレスまで機械的に搬送される。充填された半モールドは、最終的な成形部品の「ニアネットシェイプ」になっているため、マッチドモールドの他の半モールドを用いる最終的な圧縮成形ステップは、極めて低圧で、かつ、溶融した樹脂／ガラス混合物の動きが最小限の状態で、行うことができる。したがって、幅１２インチ、長さ２４インチ、深さ１／４インチの大きさの内部キャビティを有する長方形のマッチドモールドの雌部分を、上述した「ニアネットシェイプ」配置の溶融ポリプロピレン／ガラス混合物で充填した。充填されたモールドの雌部分を、８フィート×９フィートのプラテンとエアバッグブラダーを備えた、３００トンの空気圧縮プレスに機械的に搬送した。最終的な成形ステップにおいて、マッチドモールドの雄半モールドを、充填されたマッチドモールドの雌半モールドに押し付けた。モールドは、２００Ｆ以下に冷却されるまでそのまま維持した。最終的に得られる成形パネルは、およそ１２インチ×２４インチ×１／４インチの大きさであった。成形部品は以下の特性を示した。
【０１２６】
【表１３】
注：それぞれ、別個の３つのパネルついての５つの測定値の平均
【０１２７】
このように、成形パネルは、機械方向及び横断方向に互いに２０％以内の機械的特性を示し、したがってほぼ非等方的である。
成形パネルから樹脂を燃焼させ、残留したグラスファイバを解析することによって、成形パネル内の平均繊維長は、投入時の長さ０．５インチに対して０．４３インチであることが分かった。このことは、最終的な成形製品における当初繊維長の保存率が８５％であることを表す。
【０１２８】
例２
ＬＮＰ社の１／２インチ長グラスファイバを３０重量％含む、予め化合されたＡＢＳ（アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン）樹脂を、以下の押出機領域温度及びダイ温度、すなわち、領域１＠３７５Ｆ、領域２＠４００Ｆ、領域３＠４２５Ｆ、領域４＠４７５Ｆ、領域５＠５１５Ｆ、領域６＠５１５Ｆ、ダイ温度＠５１５Ｆを用いて、例１のとおりに押し出した。例１と同じモールドを用いて、およそ１２インチ×２４インチ×１／４インチのサンプルパネルを準備し、以下の特性を示した。
【０１２９】
【表１４】
注：それぞれ、３つの測定値の平均
【０１３０】
成形パネルは、機械方向及び横断方向に互いに他の２０％以内の機械的特性を示し、したがって、機械的特性はほぼ非等方的である。
成形パネルから樹脂を燃焼させ、残留したグラスファイバを解析することによって、成形パネル内の平均繊維長は、０．３０インチ、すなわち、元の繊維長の６０％あることが分かった。
【０１３１】
例３
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８８重量％／グラスファイバ１２重量％）を、木製のマッチドモールドを用いて例１のとおりに処理し、寸法が長さ１２フィート×幅８フィート×厚さ１インチ、重量が１２０ポンドの、固い中実のリブ付きレードームカバーを作成した。
【０１３２】
例４
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、固体アルミニウム製マッチドモールドを用いて例１のとおりに処理し、高さ７インチ×幅４インチ×長さ８フィート、重量２２ポンドの、中実の斜め強化リブを有するビームを作成した。
【０１３３】
例５
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社のナイロン６と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３４】
例６
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）と１インチ長炭素繊維との混合物（樹脂７０重量％／炭素繊維３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２フィート×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３５】
例７
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）と１／２インチ長Ｋｅｖｌａｒ繊維との混合物（樹脂７０重量％／Ｋｅｖｌａｒ繊維３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３６】
例８
ポリプロピレンと３インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３７】
例９
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂４５重量％／グラスファイバ５５重量％）を例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３８】
例１０
ポリプロピレンと１／２フィート長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を例１のとおりに処理して、材料運搬パレットの２つの部分を作成し、次にこれらを接合して、寸法が長さ４８インチ×幅４０インチ×高さ６インチ、重量が６３ポンドの材料運搬パレットを作成した。
【０１３９】
例１１
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を例１のとおりに処理して、長さに沿って挿入された１インチ角のＩＤ鋼管を含む支持ビームを作成し、該支持ビームの寸法は、長さ２０フィート×高さ１２インチ×幅６インチ、重量は１８０ポンドであった。鋼管は、ビームの最終的な圧縮成形前の、溶融した樹脂／ガラスモールド充填ステップの間に、モールドの中に挿入された。
【０１４０】
例１２
ポリエチレンと１インチ長の木材／セルロール乾燥繊維との混合物（樹脂８０重量％／木材繊維２０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４１】
例１３
ＳＭＡ（スチレン／無水マレイン酸）樹脂と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８２重量％／グラスファイバ１８重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４２】
例１４
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４３】
例１５
ＰＣ（ポリカーボネート）と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４４】
本発明に従って行われる成形プロセスは、業界で典型的に用いられる圧力よりはるかに低い圧縮圧力で行われる。有利なことに、こうした低い圧力によって、一般的には業界で用いられる高い圧力に耐えることができない可能性がある、木製のモールドなどの非金属のモールドの使用が可能になる。
【０１４５】
本発明においては、あらゆる種類の繊維性材料を用いることができる。例えば、繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、又は木材とすることができる。
【０１４６】
本発明に従って、あらゆる種類の熱可塑性樹脂を用いて物品を作成することができる。適切な熱可塑性樹脂の例は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及び、これらの混合物である。
【０１４７】
熱可塑性樹脂は、単一重合体とするか、２つ又はそれ以上の重合体の混合物とすることができる。特定の実施形態においては、熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又は、これらの重合体の混合物を含むことができる。
【０１４８】
熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又は、未使用樹脂と再生樹脂とのいずれかの比率の混合物とすることができる。熱可塑性樹脂は、必要に応じて、樹脂への繊維性材料の結合を強化する結合剤を含むことができる。
【０１４９】
特許請求の範囲に記載の発明に従って、パレット、ビーム、ドア、レードーム、壁パネル及びモジュール部品などの建造物、パイプ、支柱、及び杭といった物品を作成することができる。
【０１５０】
前述の説明は、本発明を実施するための好ましい実施形態に関するものであり、本発明の範囲は、この説明によって限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明に係る成形システムの平面図である。
【図２】図１の成形装置の側面図である。
【図３Ａ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｂ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｃ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｄ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｅ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図４】図１及び図２の押出機の側面図である。
【図５】図４の押出機の背面図である。
【図６Ａ】構造体部品を形成するように作動可能な、図１の押出成形システムの例示的な概念図である。
【図６Ｂ】図６Ａの押出成形システム６００ａの別の例示的なブロック図である。
【図７】台車によって支持された下部モールドの上に押出複合材料を堆積させている図６Ａの動的ダイの例示的な分解図である。
【図８Ａ】複合材料を図６Ａの下部モールドの上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するのに使用することができる押出成形プロセスを説明する例示的なフロー図である。
【図８Ｂ】三軸制御押出成形プロセスによって、図６Ａの押出成形システムを使用して構造体部品を生産するための別の例示的なフロー図である。
【図９】図６Ａの押出システムの構成要素内部で作動する制御装置とインターフェース接続される図６Ａの制御装置の例示的なブロック図である。
【図１０】図６Ａの制御装置のより詳細な例示的ブロック図である。
【図１１】図１０の制御装置を作動させるプロセッサによって実行されるソフトウェアの例示的なブロック図である。
【図１２】図６Ａの押出成形システムによって押出複合材料を押し出すための、流量制御要素及びグリッドに区切られた下部モールドの例示的な概略図である。
【図１３】複合材料を図６Ａの下部モールドの上に堆積させるように位置合わせされた流量制御要素の上面図である。
【図１４】図６Ａの押出成形システムによって生産されるパレットの隅部の例示的な上面斜視図である。
【図１５Ａ】図６Ａの押出成形システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な底面斜視図である。
【図１５Ｂ】図６Ａの押出成形システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な上面斜視図である。
【図１６Ａ】図６Ａの押出成形システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図１６Ｂ】図６Ａの押出成形システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図１７】図６Ａの押出成形システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を、図１６Ａ及び図１６Ｂに示されるような構造体部品に埋め込むための工程を説明する例示的なフロー図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関し、特に、押出ダイを通過するときに成形される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する独自の動的ゲートダイを用いる熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関する。
（関連出願）
本出願は、２００４年３月３１日に出願された米国特許出願連続番号第１０／８１５，３１０号の利益を主張するものであり、該出願は、２００２年１１月１３日に出願された米国特許出願連続番号第１０／２９３，００５号の一部継続出願であり、該出願は、２００２年３月２５日に出願され、現在は米国特許第６，７１９，５５１号となった米国特許出願連続番号第１０／１０４，３９４号の一部継続出願であり、該出願は、１９９７年１２月１８日に出願され、現在は放棄された米国特許出願連続番号第０８／９９３，５１６号の分割出願である。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の説明
過去においては、一般に、熱可塑性樹脂又は熱可塑性複合部品の成形を含む様々な成形システムが提供されてきた。真空成形においては、加熱された熱可塑性材料のスラブ（一定の厚さのシート）を真空モールドに配置し、モールドと加熱されたプラスチック材料との間を真空に引いてプラスチック材料をモールドに引き寄せる。同様に、圧縮成形においては、予め加熱された材料の塊又はスラブを、材料を圧縮して所望の部品又は形状にする２つの成形モールドの間でプレスする。
【０００３】
関連特許
材料の熱成形を用いる先行米国特許は、Ｗｉｎｓｔｅａｄの４つの特許、米国特許第４，４２０，３００号、米国特許第４，４２１，７１２号、米国特許第４，４１３，９６４号、及び米国特許第３，７８９，０９５号によって理解することができる。Ｗｉｎｓｔｅａｄの´７１２特許及び´３００特許は、押出機、延伸手段、及び、雌モールドと、ホイール表面の実質的な弧の周りにシート材料を係合するプラグアシスト部材を有する軌道周回装置を形成するように相互連結された複数のプラグアシスト手段とを有するホイールを含む、シート材料の連続熱成形のための装置に関するものである。Ｗｉｎｓｔｅａｄの´９６４特許は、熱可塑性材料のウェブから成形製品を連続的に押し出して形成すると同時に、該製品をウェブから連続的に切り離し、該製品を積み重ねて処理し、ウェブの縁を再利用してさらに押し出しに用いるための装置を教示する。この装置は、多角形回転モールドと二軸配向装置とを接続するフォロアローラによって二軸配向ウェブが連続的に位置決めされる外周面上の回転多角形形状を有する複数のモールドキャビティを用いる。Ｗｉｎｓｔｅａｄの米国特許第３，７８９，０９５号は、低密度の発泡熱可塑性材料を連続的に押し出して、そこから三次元の定形部材を製造する、統合された方法である。
【０００４】
Ｈｏｗｅｌｌの米国特許第３，８６８，２０９号は、加熱ステーションから成形ステーションのモールド機構まで共通の水平面を連続的に移動する、熱によって溶融する１対の熱可塑性シートから中空のプラスチック製品を製造するための二重シート熱形成機である。Ｈｅｌｄ Ｊｒ．の米国特許第３，８６８，２０９号は、２枚の熱可塑性材料を、空間の空いた関係にある加熱領域を通し、２つの半モールドの間を通過させることによって、該２枚の熱可塑性材料から中空部材を真空成形するための装置である。２つの半モールドは、中空部材を成形するために各々のシートをそれぞれのモールドの形状に適合させるように真空が各々のシートを引くときに接合される。Ｂｕｄｚｙｎｓｋｉらの米国特許第５，５５１，８６０号は、１度に１つのモールドを該モールドを装着するための押出ダイハンドルと位置合わせさせながら連続的に回転する回転モールドを有する、瓶を作るためのブロー成形装置である。Ｈｕｊｉｋの米国特許第３，９１５，６０８号は、靴底を連続的に成形するために複数の工程ステーションを通して複数のモールドを回転させる回転テーブルを含む、多層靴底のための射出成形機である。Ｌｕｄｗｉｇの米国特許第３，３０２，２４３号は、プラスチックの靴を射出成形するための別の装置である。Ｌａｍｅｒｉｓらの米国特許第３，２２４，０４３号は、プラスチック射出ノズルと位置合わせさせるように回転させることができる少なくとも２つのモールドを有する射出成形機を教示する。Ｖｉｓｍａｒａの米国特許第４，６９８，００１号は、成形プラスチック製のオートバイ用ヘルメットを製造するための機械であり、１対の半モールドが複数の位置の間を移動する圧縮タイプのモールドを用いるものである。Ｋｒｕｍｍの米国特許第４，３０４，６２２号は、各々が半スラブ条体をそれぞれのローラ組立体に押し出す１対の押出機を含む、熱可塑性合成樹脂の厚いスラブを生産するための装置である。ローラ組立体は、間で圧密ニップを形成する最終ローラを有し、そこで２つの半スラブが互いに接合される。
【０００５】
複合材料及び他のプロセス
複合材料は、個々の材料より優れた特性又は性質を有する材料を作る２つ又はそれ以上の成分の混合物から形成される材料である。ほとんどの複合材料は、２つの部分、すなわち、基体成分及び強化成分からなる。基体成分は、複合材料を互いに結合する材料であり、通常は強化成分ほど固くない。これらの材料は、高温で圧力をかけて形成される。基体は、強化材を所定の位置に閉じ込め、荷重を強化材に分散させる。強化材は、通常は、基体材料より固いため、複合材料内部の主な荷重支持成分である。強化材は、複合材料を形成する基体内に埋め込まれる、繊維から、織物、粒子、又は棒状体までの範囲の、多くの異なる形態をとることができる。
【０００６】
複合材料構造体は、自然界においては何百万年もの間存在している。木材の微細構造又は貝殻のバイオセラミクスの調査によって、自然界に見出される複合材料の発生が明らかにされ、現代の複合材料が本質的に自然界に見出される構造を模倣するように発展してきたことが示される。複合材料の最適な例が、コンクリートである。異なる形態のコンクリートによって、強化材がどのように作用するかに関する示唆が与えられる。セメントは、要素同士をまとめて保持する基体として働き、一方、砂、砂利、及び鋼鉄は、強化成分として働く。砂とセメントのみで作ったコンクリートは、セメント、砂、及び石から作ったコンクリートと比べると極めて弱く、後者は、鋼鉄、砂、及び石で強化されたコンクリートほど強度がない。コンクリートの基体材料及び強化材料は、混和され、注入され、典型的には形成構造体として成形される。他の複合材料でできた部品を生産する場合には、複合構造体又は部品の形は、複合構造体を形成するのに用いられるモールド、ダイ、又は他の金型の形又は形状によって決定される。
【０００７】
プラスチック複合材料を含む多くの異なる種類の複合材料が存在する。各々のプラスチック樹脂は、その固有の特性を有し、それが、異なる強化材と組み合わされたときに異なる機械的特性及び物理的特性を有する複合材料を作る。今日存在するプラスチックポリマの数を考慮し、その数字に利用可能な強化剤の数を掛けると、可能な複合材料の数は膨大なものになる。プラスチック複合材料は、２つの主なカテゴリー、すなわち、熱硬化性複合材料と熱可塑性複合材料に分類される。
【０００８】
熱硬化性複合材料の場合には、熱と圧力を加えた後に、熱硬化性樹脂が、材料の分子構造を架橋する化学変化を受ける。一旦硬化すると、熱硬化性部品は再び成形することはできない。熱硬化性プラスチックは、内部に見られる強固な架橋構造のため、高温耐性があり、ほとんどの熱可塑性材料より高い寸法安定性を備える。熱可塑性基体成分は、熱硬化性材料ほど制約されず、再利用し、形状を変えて、新しい部品を作ることができる。
【０００９】
熱可塑性複合材料のための一般的な基体成分は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びナイロンを含む。高強度高弾性率の繊維で強化して熱可塑性複合材料を形成する熱可塑性材料は、強度及び剛性、並びに、靱性及び寸法安定性が飛躍的に増大する。
【００１０】
複合材料は、広範な産業にわたって数々の用途に用いられる。典型的には、複合材料は、ファスナ又は他のコネクタを用いて組み立てられる合金構造体又は多成分金属構造体で作られる製品の代わりに用いられる。複合材料は、十分な強度を有するが、重量が軽くなる。このことは、自動車及び航空宇宙などの産業において特に重要であり、複合材料の使用によって、より軽く、より早く、より低燃費で、環境面で健全な航空機及び自動車が得られる。複合材料はまた、木材、ガラス繊維、及び他のより伝統的な材料を代替するように設計することができる。以下の産業、すなわち、航空宇宙、自動車、建設、家電、造船、運搬、医療、軍事、電気通信、運輸、及び廃棄物処理は、熱可塑性複合材料から作られる大型部品を使用する用途を有する産業の一部を列挙したものである。
【００１１】
一般に、他の属性の中でも、熱可塑性複合材料は、腐食に対する耐性を示し、多くの製造業にとってこれらの材料を特に魅力的なものにする長い疲労寿命をもたらす。疲労寿命は、材料摩耗又は深刻な応力を呈する前に、部品が仕様どおりに機能する能力を損なう時点まで持続する期間を指す。典型的には、複合材料は、特定の部分の重量を減少させる一方で、既存の部分の強度及び他の望ましい特性をもたらす必要がある用途に利用される。極めて高価な熱硬化性複合材料で作られる多数の部品が存在する。これらの種類の部品は、典型的には、先端複合材料と呼ばれ、軍事産業及び航空宇宙産業において最もよく利用される。
【００１２】
製品開発技術者及び生産技術者は、熱可塑性材料が現代の技術開発においてますます重要な役割を果たすものと考えている。新しい熱可塑性樹脂が恒常的に開発され、複合材料でできた部品の製造に関連する費用を低減するために、より革新的な製造方法が導入され始めている。熱可塑性複合材料でできた部品を製造するための費用が低減するにつれて、熱可塑性複合材料を用いることが、多くの商業上及び産業上の用途にとってより有望な解決策になっている。
【００１３】
現時点で熱可塑性複合材料に利用可能な成形方法
熱可塑性複合材料について商業的に利用可能な製造技術のほとんどは、熱硬化性複合材料を処理するための方法から応用された。これらの方法は、より低粘度で長い硬化時間を有する樹脂系について設計されているため、熱可塑性材料製造プロセスは、ある種の非効率性及び困難性を抱えている。現在使用されている、熱可塑性複合材料を用いた幾つかの製造方法が存在する。最も一般的なプロセスの幾つかは、圧縮成形、射出成形、及びオートクレーブ処理を含み、これらのすべては、「ニアネットシェイプ（ｎｅａｒ−ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）」部品、すなわち、成形後に所望の又は設計された形状と実質的に一致する部品の製造に用いることができる。熱可塑性複合材料を処理するための、それほど一般的ではない方法として、引き抜き成形、真空成形、ダイヤフラム成形、及び加熱プレス技術が挙げられる。
【００１４】
圧縮成形
圧縮成形は、熱可塑性複合材料の構造部品を商業的に製造するために用いられる、現在圧倒的に最も広く知られている方法である。典型的には、圧縮成形は、連続した又は細断された不規則な配向のグラスファイバと配合されたポリプロピレン又は同様の基体からなるガラスマット熱可塑性（ＧＭＴ）複合材料を利用するものである。ＧＭＴは、サードパーティの材料化合物製造者によって生産され成形される、標準的なサイズ又は特注サイズの平らなブランクとして販売されている。この予め含浸された複合材料（又は、その熱硬化性の同等物を用いるときにより一般的に呼ばれる、プリプレグ）を用いて、ＧＭＴの塊を、オーブン内で加熱し、次いで成形モールドの上に置く。成形モールドの２つの半モールドを、大きな圧力下で閉じ、樹脂及び繊維によってモールドキャビティ全体を満たす。部品が冷却されると、該部品は、取り出し機構を用いてモールドから取り除かれる。
【００１５】
一般に、ＧＭＴ成形に用いられるマッチド成形モールドは、劣化することなく高い成形圧力の連続的な印加に耐えるように、高強度鋼から加工される。これらのモールドは、サイクル時間を早めて、表面仕上げの質を向上させるために、活発に加熱され、冷却されることが多い。ＧＭＴ成形は、３０秒から９０秒の範囲のサイクル時間を有する、最も生産的な複合材料製造プロセスの１つであると考えられる。しかしながら、圧縮成形は、高い能力のプレス機（２０００〜３０００トンの圧力）と高圧モールドとを購入するための大きな設備投資を必要とし、したがって、生産量が多い場合にのみ効率的である。少量の小型部品は、既存のプレス機上でアルミニウムモールドを用いて製造し、ある程度のコストを節減することができる。このプロセスの他の欠点は、粘度の問題に起因する低繊維割合（２０％から３０％）と、中級程度の質の表面仕上げしか得られない能力である。
【００１６】
射出成形
射出成形は、非強化熱可塑性部品のための最も普及している製造方法であり、短繊維強化熱可塑性複合材料に用いられる最も一般的な方法になりつつある。この方法を用いる場合には、熱可塑性ペレットに短繊維を含浸させ、該熱可塑性ペレットを、通常は１５，０００〜３０，０００ｐｓｉの範囲の射出圧力で、２つの部分からなる閉じた硬化鋼モールドの中に押し出す。モールドを加熱して高流量を達成し、次いで直ちにモールドを冷却して歪みを最小化する。流体力学分析を用いて、特定の配向を有する繊維を様々な位置に与えるモールドを設計することができるが、一般的に、射出成形部品は等方的である。最終的な部品内の繊維は、典型的には、わずか１／８インチの長さであり、最大の繊維含有量は、約４０％である。この方法を若干変更したものは、樹脂注入成形（ＲＴＭ）として知られている。ＲＴＭ製造法は、高圧下において樹脂で満たされるモールドの中に配置されたマット繊維を利用するものである。この方法は、繊維を手作業で配向すること、及び、より繊維長の長いものを使用することができるという利点を有する。
【００１７】
射出成形は、熱可塑性プロセスの中で最も高速であり、したがって、一般には、自動車及び消費財などの大量生産用途に用いられる。サイクル時間は、２０秒から６０秒の範囲である。射出成形はまた、高度に再現可能なニアネットシェイプ部品を生産する。挿入部、穴、及び心材の周囲を成形する能力は、別の利点である。最後に、射出成形及びＲＴＭは、一般に、あらゆるプロセスの中で最良の表面仕上げを提供する。
【００１８】
上述のプロセスは、所要のモールドの大きさ及び射出成形機の能力により、射出成形によって生産することができる部品の大きさ及び重量に関して実質的な制限を受ける。したがって、この方法は、小型から中型の部品に限定されてきた。構造強化の点から最も問題となるのは、射出成形プロセスにおいて用いることができる強化繊維の長さに関する制限である。
【００１９】
オートクレーブ処理
オートクレーブ処理は、産業によって用いられるさらに別の熱可塑性複合材料製造プロセスである。単一方向の繊維を有する熱可塑性プリプレグ又は織布を、片面のモールドの上に置く。表面仕上げのために、粘着を防止するために、及び、オートクレーブ内に配置された時点で真空に引くことができるように、プリプレグ集合体を数層のバギング材料で覆う。オートクレーブ内部で、複合材料を加熱し、圧力をかけて、材料の層を固化及び架橋させる。圧縮成形及び射出成形とは異なり、モールドは、オープンモールドであり、必要な圧力がはるかに小さいためアルミニウム又は鋼鉄のいずれかで作ることができる。
【００２０】
オートクレーブ・プロセスは、時間がかかり、労働集約的であるため、高い精度が要求される極めて大型の少量の部品について利用され、製造ラインには適さない。この方法の重要な利点として、繊維の体積率が高いこと、及び、特定の材料特性を可能にするための繊維配向の制御が挙げられる。このプロセスは、金型が比較的安価であるため、試作品製造に特に有用である。
【００２１】
【特許文献１】米国特許第４，４２０，３００号
【特許文献２】米国特許第４，４２１，７１２号
【特許文献３】米国特許第４，４１３，９６４号
【特許文献４】米国特許第３，７８９，０９５号
【特許文献５】米国特許第３，８６８，２０９号
【特許文献６】米国特許第３，６９５，７９９号
【特許文献７】米国特許第５，５５１，８６０号
【特許文献８】米国特許第３，９１５，６０８号
【特許文献９】米国特許第３，３０２，２４３号
【特許文献１０】米国特許第３，２２４，０４３号
【特許文献１１】米国特許第４，６９８，００１号
【特許文献１２】米国特許第４，３０４，６２２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
「長い」繊維を必要とする熱可塑性複合材料のための成形方法
上述のプロセスのいずれも、成形プロセスの間に大部分が壊れずに残る（例えば、約２分の１インチより長い）長繊維で強化された熱可塑性複合材料を生産することができず、このことは、大型でより複雑な部品の生産に特に当てはまる。従来は、３ステッププロセス、すなわち、（１）プリプレグ複合配合物の第三者による化合、（２）プリプレグ材料のオーブン内での加熱、（３）所望の部品を形成するために溶融した材料のモールドへの挿入、を利用してこうした部品を成形した。このプロセスは、構造的に十分に強化された大型で複雑な部品を生産する場合に、産業の多用性を制限する幾つかの欠点を有する。
【００２３】
１つの欠点は、シート成形プロセスは、厚さを変えた部品、又は、熱可塑性複合材料の「深絞り（ｄｅｅｐ−ｄｒａｗ）」を必要とする部品を生産できないことである。押し出されたシートが厚くなるにつれて、最終的な部品の構造形成に関する問題を避けるためにシートをその厚さ全体を通して均一に再溶融させることが困難になる。例えば、パレットの足の形成は、「垂直面」における材料の深絞りを必要とし、したがって、押出シートの水平面全体にわたって均一ではないため、上面から垂直に押し出される足を有するパレットは、より厚い押出シートを用いて成形することができない、パレットの深絞り部分である。均一な厚さを有する押出シートの幾何学的制限に関する他の欠点は明らかであり、本発明の説明と併せて以下により詳細に説明されることになる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、真空成形又は圧縮成形のいずれかを用いて熱可塑性複合材料部品の熱可塑性樹脂を生産するための成形システムであって、部品が押出ダイからモールドに直接送られる一方、熱可塑性スラブには、押出ダイを通して材料のシートを形成するために樹脂を流体状態に加熱するのに用いられた熱が依然として残る、成形システムに関するものである。本発明は、熱可塑性材料成形プロセス及び装置に向けられており、特に、押出ダイを通過するときに成形される押出材料の厚さを変えるための調節可能なゲートを有する熱可塑性材料押出ダイを用いる熱可塑性材料成形プロセス及び装置に関するものである。
【００２５】
本発明は、さらに、熱可塑性材料のスラブを、材料のスラブを形成する押出機からステーション間で回転させることができるモールドの上に直接送る連続熱成形システムに関するものである。熱可塑性材料は、一定の厚さのプラスチックスラブから表面全体の厚さが一定ではないプラスチックスラブに変化させるために、調節可能な押出ダイを通して押し出される。一定ではない厚さは、特定の成形運転ごとに調節するか、又は、必要に応じて連続的に変えることができる。これにより、成形部品が必要に応じてその全体にわたって厚い場所と薄い場所を持つことができるように、押出スラブ全体にわたって及び成形された部品の至る所で、異なる厚さを有する熱可塑性材料の連続成形が可能になる。本発明は、押出成形プロセスによって製造される所望の部品の、大きさ、形状、組成、重量、又は強度に関して限定するものではない。
【００２６】
熱可塑性材料成形システムは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部材すなわち動的なダイ設定によって外形が規定される熱可塑性スラブの押出のための熱可塑性材料押出ダイを含む。熱可塑性材料押出ダイは、熱可塑性材料押出ダイから押し出された熱可塑性スラブを切断するためのトリマを有する。真空モールド又は圧縮モールドのいずれかとすることができる複数の熱可塑性材料モールドの各々は、一度に１つのモールドを、熱可塑性材料押出ダイから切り取られる熱可塑性スラブを受け取る位置に移動させるための、回転プラットフォームなどの移動可能なプラットフォームに取り付けられる。成形される部品は、加熱状態のままで押出ダイから送り出される加熱された熱可塑性材料のスラブから、一定ではない厚さで形成される。複数のモールドをプラットフォームに取り付けて、１つのモールドを押出ダイから熱可塑性スラブを受け取るための積み込み位置に送り、第２のモールドを、形成された部品をモールドから取り出すための解放位置に送る。プラットフォームは、往復プラットフォーム又は回転プラットフォームとすることができ、別のモールドが熱可塑性スラブを受けている間に、各々のモールドを冷却することを可能にする。押出スラブの異なる部分において押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために、熱可塑性材料押出ダイを調節する装置に従って熱可塑性材料押出ダイの設定を選択するステップを有する熱可塑性材料成形プロセスが提供される。熱可塑性材料は、流体状態まで加熱されて、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変化させ、厚さが一定ではない押出熱可塑性スラブを所定の大きさに切り取り、加熱された熱可塑性材料の切り取ったスラブの各々を熱成形モールド上に導くように調節された、選択された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出され、材料の押し出しの際に加熱された材料のスラブから一定ではない厚さで成形部品が形成されるようにモールド内の所定の部品を成形する。
【００２７】
この「押出−成形」プロセスはまた、押出機が、動的ダイを通して溶融した熱可塑性複合材料を分配し、該材料を動的ダイの位置に対して移動可能な下部モールドの上に直接重力降下させるため、（約２分の１インチより長い）長繊維によって強化された熱可塑性複合材料構造体の形成を容易にする。本明細書において用いられるときには、「下部モールド」という用語は、熱可塑性材料が導かれるマッチドモールドの下半分を指す。同様に、「上部モールド」という用語は、上部及び下部の半モールドが組み合わされたとき、すなわち閉じられたときに、内部で所望の熱可塑性部品が形成されるマッチドモールドの上半分を指す。下部モールドは、モールドキャビティを様々な量の熱可塑性複合材料で充填するように、台車によって移動させることができる。例えば、ある水平範囲にわたって、下部モールド及び上部モールドによって定められるキャビティがより大きい場合には、その範囲においてより多くの溶融した熱可塑性複合材料を受け取るように、下部モールドを減速させることができる。動的ダイは流量制御要素を使用し、該流量制御要素は、該流量制御要素の各々から異なる量の材料を供給し、該材料を下部モールドが移動する方向と垂直な方向に該下部モールドの幅全体にわたって選択的に堆積させるように、溶融した押出熱可塑性複合材料の流量を変えるか又は調整する。熱可塑性複合材料は、少なくとも１０重量パーセントから最大で５０〜６０重量パーセントの濃度を有する（約２分の１インチより長い）長繊維を伴い、繊維破損割合が低い状態で成形することができる。溶融した押出熱可塑性複合材料が下部モールドの上に重力降下した後に、台車は、上部モールドを下部モールドの上に閉じて複合材料部品を形成するプレス内に自動的に移送される。
【００２８】
本発明の原理による１つの実施形態は、熱可塑性材料及び繊維から物品を形成するためのシステム及び方法を含む。本方法は、熱可塑性材料を加熱して、繊維と配合しながら溶融した熱可塑性材料を作ることを含む。溶融した熱可塑性材料を繊維と配合して、所望の重量濃度及び／又は体積濃度の繊維を有する溶融した複合材料を作る。次いで、所定の複合材料の流量になるように、動的ダイを通して溶融した複合材料を押し出し、物品を形成するための下部モールドの上に重力降下させる。下部モールドは、下部モールドのモールドキャビティに必要な材料の量と正確に一致する所定量の溶融した複合材料を下部モールドの上に堆積させるために、複合材料の流れを受け取りながら様々な速度で空間的及び時間的に不連続に移動させることができる。上部モールドを所定量の溶融した複合材料に押し付けて下部モールドの上に閉じ、物品を形成することができる。
【００２９】
本発明の別の実施形態においては、成形熱可塑性物品が提供される。この物品は、熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含み、低剪断プロセスによって作られる。成形前の繊維の長さは約０．５〜３インチであり、成形物品の繊維の長さは成形前の長さの約６０％より長い。繊維性材料は、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成する。成形熱可塑性物品における繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、成形物品のｘ面、ｙ面、及びｚ面における機械的特性は、互いに他の２０％以内である。物品の機械的特性は、実質的に非等方的である。
【００３０】
本発明の別の態様においては、成形熱可塑性物品を作るためのプロセスが提供される。成形熱可塑性物品を作るためのプロセスは、一般に、
ａ）熱可塑性樹脂と繊維性材料といずれかの任意の添加剤との混合物を、低剪断単軸スクリュを用いて溶融化合し、
ｂ）低剪断押出を用いて、該混合物をシート押出ダイを通して押し出し、
ｃ）押し出された混合物を、概ね物品全体の形状を有する水平に移動可能なマッチドモールドの第１の半モールドの中に堆積させ、
ｄ）熱可塑性物品の圧密及び成形を完了するために１００〜１，０００ｐｓｉの範囲の圧力と溶融した混合物の極めてわずかな移動とを必要とするように、堆積させた混合物をマッチドモールドの第２の半モールドを用いて圧縮成形する、
ステップを含む。したがって、本発明は、真空成形プロセス及びシート成形プロセスを超える優れたものとすることができる。
本発明の他の目的、特徴、及び利点は、記載された説明及び図面から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
何年もの間、複合材料製造産業においては、圧縮成形又は射出成形の速度及び作業効率と、オートクレーブ成形の精度及び低い圧力で、大型の熱可塑性複合材料構造体又は部品を大量生産するプロセスを提供できないという隙間が存在していた。本発明の原理は、この隙間を埋めて、こうした熱可塑性複合材料部品を生産するプロセスを提供するものである。本プロセスは、中程度の量から大量の部品生産に適しており、高い強化繊維濃度及び低い成形圧力で、大型の部品及び構造体を生産することができる。
【００３２】
図面の図１及び図２を参照すると、押出機１１とモールド交換ステーション１２と圧縮成形ステーション１３とを有する、熱可塑性樹脂又は熱可塑性複合材料から部品を熱成形するための熱成形装置１０が示されている。押出機は、ヒータが熱可塑性材料を加熱して流体材料にするオーガ１５に熱可塑性樹脂又は複合材料を供給するための、上部に取り付けられたホッパ１４を有し、オーガ１５は、押出機の経路の長さに沿って該経路の最後にある押出ダイ１６に流体材料を供給している。押出機を通り、押出ダイの外に送り出される材料は、ダイ１６の端部に取り付けられたトリマ１７を用いて切断される。材料は、概ね平板スラブ（図示せず）の状態で押し出され、押出ダイ１６から出るときにトリマ１７によって所定の箇所で切り取られる。支持プラットフォーム１８は、熱可塑性材料のスラブを受け取るために、押出ダイ１６の下で、移動する半モールド１９を直接支持する。移動する半モールド１９は、（半モールド１９´として示されるように）該半モールド１９を、プラットフォーム１８から、図１において両矢印２１´によって示されるように回転させるための中心回転シャフト２２に取り付けられた回転プラットフォーム２１上に移動させることができるようにする車輪２０を有する。回転プラットフォーム２１の上には、（半モールド２３´として示されるように）半モールド１９がプラットフォーム１８上にある間に圧縮成形ステーション１３に送ることができる第２の半モールド２３が載っている。半モールド２３´は、圧縮成形ステーションにおいて、成形工程が行われる移動プラテン２６に取り付けられた、停止状態にある共通の固定された半モールド２５の真下で、固定プラットフォーム２４の上に直接支持することができる。このように、半モールド１９及び２３は、一方のモールドが熱可塑性スラブを取り込んでいる間に、他方の半モールドが部品を成形することができるように、行ったり来たりさせることができる。移動する半モールド１９、２３の各々は、半モールドを回転プラットフォーム２１からプラットフォーム１８又は固定プラットフォーム２４の上に駆動するための電気モータ２７を有する。移動する半モールドの速度を制御するために、線形変換器２８をプラットフォーム１８に取り付けることができる。
【００３３】
この時点で、押出機１１は、依然として熱エネルギーを含んでいる加熱された押出スラブを、該スラブを圧縮成形ステーション１３に送り、熱可塑性材料のシートを再加熱する必要なく部品に成形する移動半モールド上に、生産することに留意されたい。また、図４及び図５に関連して後述されるように、熱可塑性スラブは、モールドから作られる熱成形部品を強化するために、その幅全体にわたって厚さが一定ではないものとすることもできる。
【００３４】
図３Ａ〜図３Ｅを参照すると、本発明によるプレス工程において一連の位置にある半モールド１９、１９´及び２３、２３´を有する熱可塑性材料成形装置１０が示されている。各々の図には、押し出す前に熱可塑性樹脂又は複合材料を加熱するオーガ１５に、熱可塑性樹脂又は複合材料を供給するホッパ１４を有する押出機１１が描かれている。図３Ａにおいて、半モールド２３´は空であり、半モールド１９は、押出機１１から直接ホットメルトが充填されている。図３Ｂにおいて、モールド搬送装置が、半モールド１９及び２３´を回転するターンテーブル２１の上に移動させる。図３Ｃにおいて、回転するターンテーブル２１は、スラブを一方の半モールドの上に積み込むためのステーションと、スラブを積んだ半モールド１９´を圧縮又は真空成形機１３の中に入れるためのステーションとの間を、中心軸シャフト２２（図示せず）上で回転する。図３Ｄにおいて、半モールド１９´は、プレス１３内に移動し、一方、空の半モールド２３は、熱可塑性材料のスラブを積み込むために押出ダイ１６の下に移動する。図３Ｅにおいて、半モールド１９´を冷却加圧して部品を取り出し、一方、半モールド２３´は、搬送装置によって押出ダイ１６の下に移動したときに、完全に充填されるまでホットメルトが充填される。
【００３５】
図４及び図５を参照すると、図１及び図２のオーガ１５を用いて流体状の熱可塑性材料を供給するためのチャネル３２を持ち、押出チャネル３３を通して口３４から押出熱可塑性材料のシート又はスラブを生成するダイ本体３１を有する押出ダイ３０が示されている。ダイ３０は、ゲート・アクチュエータ・モータ３７によって駆動されるねじ込みシャフト３６に各々が接続された複数のゲート板３５を有し、ゲート・アクチュエータ・モータ３７は、油圧モータ又は空気モータとすることができるが、図示されるように、遠隔制御装置４０に繋がる制御線３８を有する電気ステッピングモータであり、遠隔制御装置４０は、板３５を出し入れしてチャネル部４１を通過する熱可塑性スラブの厚さを変えるように、モータ３７を段階的に回転させることができる。図５においては、複数の板を駆動する複数のモータ３７が示されており、各々の板は隣の板と接して取り付けられ、押出スラブの幅にわたって変えることができる厚さを有する出力部分３４からスラブを生成するために、各々の板を別個に制御し、それにより、チャネル４１内の板３５を様々なパターン変化させる。ゲート３５は、押出ダイのいずれかの部分の厚さを調節するように各々のゲートを個々にねじ込んで出し入れすることによって手動で制御することができ、代替的に、必要に応じて遠隔制御によって押出スラブのいずれかの部分の厚さを変えるように、コンピュータプログラムとすることができる制御装置４０によって制御できることも明らかである。
【００３６】
熱可塑性スラブの押し出しのために熱可塑性材料押出ダイ１６又は３０を選択することを含む熱可塑性材料成形プロセスが提供され、押出ダイは、押出スラブの異なる部分において押出材料の厚さを変えるための調節可能なダイゲート部材を有する。本プロセスは、押出スラブの異なる部分において熱可塑性材料押出ダイを通過する押出材料の厚さを変えるために熱可塑性材料押出ダイを調節し、次いで、熱可塑性材料を加熱して流体にし、流体状の熱可塑性材料のスラブを、選択され調節された熱可塑性材料押出ダイを通して押し出すことを含む。次いで、熱可塑性スラブは、切り取られ、熱成形モールド１９又は２３内の加熱された熱可塑性材料の上に導かれ、成形装置１３内で成形されて、厚さが一定ではない部品を形成する。
【００３７】
この時点で、成形過程にある押出スラブの異なる部分の厚さを変えるように連続的に制御できる押出ダイを用いて、厚さが一定ではない部品を熱成形することが可能な熱可塑性材料成形プロセス及び装置が提供されていること、及び、成形は達成されたが、熱可塑性スラブは、押出プロセスからの熱エネルギーを利用するように依然として加熱されていることを明確にすべきである。しかしながら、本発明は、示される形態に限定されるものではなく、限定的なものよりもむしろ例示的なものであることも明確にすべきである。例えば、押出材料は、概ね平板スラブとして説明されることがあるが、以下のようなものとして、すなわち、（１）再加熱を避けるために、圧縮成形ステーション１３に送られたときに熱エネルギーを含むもの、（２）幅全体にわたって厚さが一定ではないもの、（３）押出機１１から半モールド１９に充填されるときにホットメルトであるもの、（４）押出材料の幅全体にわたって、及び押出材料の異なる部分において、厚さを変えるために、複数のゲート板３５を用いるもの、及び最後に、（５）形成される部品において一定ではない厚さを達成するために、選択され調節された押出ダイを通して溶融した熱可塑性材料を押し出すもの、としても説明される。このように、押出機は、一般に、垂直面において、及びモールド上の両水平方向にわたって、一定ではない厚さで半モールドすなわち下部モールドの上に重力降下する、熱可塑性複合材料の溶融流を、動的ダイを通して提供する。
【００３８】
上述の「押出成形」プロセスは、数例を挙げるとガラス、炭素、金属、又は有機繊維で強化された、中型から大型の熱可塑性複合材料構造体を製造するには理想的なものである。押出成形プロセスは、材料配合又は基体成分と強化成分との化合を統合し自動化して、材料を受け取る際に動きが制御されるマッチドモールドの下半分に重力降下する所定の量の溶融した複合材料を分配する、コンピュータ制御された押出システムと、モールドの上半分を下半分に押し付けて所望の構造体又は部品を形成するためにモールドの下半分を受け取る圧縮成形ステーションとを含む。マッチドモールドの下半分は、低速でより厚く、及び、高速でより薄く、材料を堆積させることができるように、様々な速度で空間的及び時間的に不連続に移動する。上述の熱可塑性装置１０は、押出成形プロセスを実施するための１つの実施形態である。（粉砕再生材料若しくはペレット状熱可塑性材料、又は必要に応じて、熱硬化性エポキシのいずれかの形態とすることができる）未加工の樹脂は、長さが約２分の１インチより長い強化繊維と共に、押出機のフィーダ又はホッパに供給される基体成分である。複合材料は、押出機１１によって配合及び／又は化合され、図６Ａ及び図６Ｂに示される実施形態を用いて後述されるように、ゲート３５を用いて押出機１１の出力を制御し、押出機１１の位置に対する下部半モールド１９の動きを制御することによって、下部半モールド１９上に「知的に」堆積させることができる。これらの実施形態においては、マッチドモールドの下部は、動的ダイの下で不連続に移動する台車に固定される。マッチドモールドの下部は、正確な量の押出複合材料を受け取り、次いで、圧縮成形ステーション内に移動する。
【００３９】
複合材料を形成するために押出成形プロセスにおいて使用することができる熱可塑性基体材料は、当該技術分野において理解されているように、熱可塑性樹脂を含む。本発明の原理に従って使用することができる熱可塑性樹脂は、押出機１１によって溶融及び配合することができるいずれかの熱可塑性樹脂を含む。こうした熱可塑性樹脂の例は、この例が完全なリストであることを意図するものではなく、押出成形システムを利用して構造的な部品を作る際に、他の熱可塑性樹脂及び材料を使用することができるという了解の下で、表１に与えられている。さらに、表１の熱可塑性樹脂は、単独で、又はこれらのいずれかの組み合わせで、用いることができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリメチル、ポリメタクリレート、アクリル、ポリウレタン、及びこれらの混合物を含む特定の熱可塑性材料が、押出成形プロセスに特に適していた。
【００４２】
熱可塑性複合材料のための強化成分として働く繊維は、一般に、熱可塑性樹脂を強化するのに使用することができる材料を含む。本発明の原理に従って用いるのに適した繊維材料は、ガラス、炭素、金属、及び、天然材料（例えば、亜麻、綿）を単独で又は組み合わせたものを含むが、これらに限定されるものではない。当該技術分野において理解されるように、列挙されていない他の繊維を使用することもできる。繊維の直径は、一般に、限定されないが、より大型の構造体部品を成形するための繊維の直径は、一般に、１μｍから２０μｍまでの範囲である。しかしながら、繊維の直径は、所望の構造体部品の強度、所望の繊維の密度、構造体部品の大きさなどを含む多くの要因に応じて、より大きくできることを理解されたい。特に、機械的特性を向上させる効果は、約１μｍから約９μｍの直径を有する繊維を用いた場合に著しい。
【００４３】
繊維内に束ねられたフィラメントの数もまた、一般に、限定されない。しかしながら、取り扱いを考慮すると、１０，０００から２０，０００のフィラメント又はモノフィラメントの繊維束が一般に望ましい。これらの強化繊維のロービングは、シラン又は他の結合剤による表面処理の後に用いることができる。熱可塑性樹脂との界面結合を向上させるために、例えばポリエステル樹脂の場合には、熱可塑性フィルム成形ポリマ、結合剤、繊維潤滑剤などによって表面処理を行うことができる。こうした表面処理は、処理済みの強化繊維の使用に先立って行うか、又は、表面処理は、押出プロセスを実行して中断することなく溶融した熱可塑性複合材料を作るために、強化繊維が押出機に供給される直前に行うことができる。最終的な使用目的に応じていずれかの組成比を用いて熱可塑性複合材料及び成型品を作ることが可能であるため、熱可塑性樹脂と繊維の比は特に限定されない。しかしながら、構造体部品について十分な構造的支持を与えるためには、当該技術分野において理解されるように、繊維の含有量は、一般に５重量％から５０重量％である。繊維の含有量は、一般には１０重量％から７０重量％であり、より大型の物品に生産について所望の機械的特性を達成するためには４０重量％が好ましいことが分かった。
【００４４】
繊維の平均的な繊維長は、約２分の１インチより長い。しかしながら、押出成形システム６００ａによって生産される典型的な構造体部品は、約１インチより長い繊維長を利用する。平均的な繊維長が１インチより短いときは、大型品について所望の機械的特性を得るのが難しいことに留意すべきである。熱可塑性複合材料内の繊維の分布は、一般に均一であり、溶融され圧縮されたときに繊維と熱可塑性樹脂は分離しない。繊維の分布又は分配は、繊維がシングルフィラメントのレベルからマルチフィラメント（数十の繊維の束）のレベルに分散するプロセスを含む。１つの実施形態においては、約５つの繊維の束を分散させて、効率及び構造的性能をもたらす。さらに、「コーミング度（ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｇ）」は、顕微鏡で構造体の断面を観察し、１０００又はそれ以上の観察可能な強化繊維全体における１０又はそれ以上の束の強化繊維の数の比率を求めることによって、評価することができる（（１０又はそれ以上の束の強化繊維の全数／強化繊維の全数）×１００（％））。本発明の原理によって得られる典型的な値は、最高で約６０％であり、一般には、３５％を下回ることになる。
【００４５】
図６Ａは、構造体部品を形成するように作動可能な押出成形システム６００ａの例示的な概略図である。押出成形システム６００ａは、複合材料から構造体部品を形成するように統合された多数の個別構成要素からなる。構成要素は、材料受取ユニット６０２、ヒータ６１８、押出機６０４、動的ダイ６０６、台車６０８、圧縮プレス６１０、及び、制御装置６１２を含む。押出成形システム６００ａを構成するために、他の補助的な構成要素も含むことができる。
【００４６】
材料受取ユニット６０２は、押し出されて熱可塑性複合材料を形成することになる材料Ｍ１及びＭ２をそれぞれ受け取るための、１つ又はそれ以上のホッパ又はフィーダ６１４及び６１５を含むものとすることができる。付加的なフィーダを使用して、異なる化合物を作るための付加的な材料又は添加剤を受け取ることができることを理解されたい。簡単な例においては、材料Ｍ１及びＭ２は、出発材料、すなわち、ペレット状であることが好ましい強化熱可塑性材料を表す。Ｍ１及びＭ２は、同じ強化熱可塑性材料とすることも、異なる強化熱可塑性材料とすることもできる。熱可塑性材料は、当該技術分野において理解されるように、ガラス又は炭素繊維などの繊維によって強化することができる。本発明の原理に従って非熱可塑性材料を使用できることを理解されたい。
【００４７】
ヒータ６１８は、熱可塑性材料Ｍ１及びＭ２を予熱する。押出機６０４は、フィーダチャネル６１６に結合され、加熱された熱可塑性材料Ｍ１及びＭ２をオーガ６２０によって混合するように作動する。押出機６０４は、さらに、熱可塑性材料を溶融する。オーガ６０２は、熱可塑性材料を混合し、押出機６０４を通して流すように作動可能な、らせん形状又は他のいずれかの形状とすることができる。押出機の出力チャネル６２２は、押出機６０４に結合され、熱可塑性材料を動的ダイ６０６に搬送するために使用される。
【００４８】
動的ダイ６０６は、複数の流量制御要素６２４ａ〜６２４ｎ（まとめて６２４）を含む。流量制御要素６２４は、動的ダイ６０６から押出複合材料６２５を制御するように作動可能な個別のゲート、バルブ、又は他の機構とすることができ、ここで、押出複合材料６２５ａ〜６２５ｎ（まとめて６２５）は、流量制御要素６２４にある、又はその下の、平面Ｐを横切る体積流量が変わる。異なる堆積流量の出力は、１時間当たり０〜約３０００ポンドの範囲である。堆積流量のより好ましい範囲は、１時間当たり約２５００ポンド〜約３０００ポンドである。１つの実施形態においては、流量制御要素６２４は、調節可能な流量制御要素６２４からの複合材料の流れを個々に又はまとめて変化させるように作動可能な、電気モータ（例えば、ステッピングモータ）、油圧アクチュエータ、空気アクチュエータ、又は他のアクチュエータなどの別個のアクチュエータによって上昇又は下降するゲートである。流量制御要素６２４は、個々の隣接する要素が連続した流量制御要素６２４となるように、隣接して構成することができる。代替的に、流量制御要素６２４は、隣接する流量制御要素６２４から流れる複合材料がモールドの上に広がるまで分離したままとなるように、離して構成することができる。流量制御要素６２４は、トリマ１７として作動させるのに適していることを理解されたい。本発明の実施形態においては、溶融した複合材料を押出機６０４と動的ダイ６０６との間に配置したアキュムレータに送り、そこから、プランジャ又は他の作動機構を用いて、複合材料を下部モールドに送ることができる。
【００４９】
台車６０８は、押出複合材料６２５が、所定の垂直距離「落下距離（ｄ）」において動的ダイ６０６の下を通過する下部モールド６２６に重力降下するか又は下部モールド６２６の上に堆積するように、動的ダイ６０６の下を移動させることができる。下部モールド６２６は、構造体部品を形成するのに用いられるキャビティ６３０を定める。押出複合材料６２５は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２におけるキャビティ６３０によって定められる容積を充填するように下部モールド６２６の上に堆積し６２８、構造体部品を形成する。二軸制御プロセスにおいては、複合材料６２５ａは、不連続な移動及び可変速度に基づき、動的ダイ６０６から垂直面（Ｐ）を横切って実質的に一定の体積流量で下部モールド６２６の上に堆積し、垂直面（Ｐ）に沿って実質的に同じ厚さ又は体積を有する複合材料層６２８を形成して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を充填する。三軸制御プロセスにおいては、複合材料は、動的ダイ６０６から垂直面（Ｐ）を横切って異なる体積流量で下部モールド６２６の上に堆積し、垂直面（Ｐ）に沿って異なる厚さ又は体積を有する複合材料層６２８を形成して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を充填する。二軸制御プロセスは、垂直面における深さが実質的に一定のキャビティ６３０を有するモールドに複合材料を堆積させるのに利用でき、三軸制御プロセスは、深さが異なるキャビティ６３０を有するモールドに複合材料を堆積させるのに利用できることを理解されたい。
【００５０】
台車６０８は、レール６３６に沿って並進運動を行う車輪６３４をさらに含む。レール６３６は、台車６０８が動的ダイ６０６の下で移動し、プレス６１０内に入ることを可能にする。プレス６１０は、上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けるように作動する。本発明の原理は、複合材料層６２８を動的ダイ６０６から下部モールド６２６に直接堆積させるため、従来の熱可塑性材料成形プロセスと比べて成形プロセスに必要な力を低減させるにもかかわらず、プレス６１０によって加えられる力は、依然として、車輪６３４がレール６３６に接触したままの場合には、車輪６３４に損傷を与えるのに十分なものである。したがって、車輪６３４は、プレス６１０の基部６４０の上面６３８との間で、選択的に係合又は解放させることができる。１つの実施形態においては、台車６０８は、膨張チューブが膨らんだときに車輪６３４がレール６３６と係合して台車６０８がダイ６０６の下からプレス６１０まで移動可能となるように、台車６０８に結合された膨張チューブ（図示せず）によって上昇する。チューブが収縮したときには、台車６０８の本体がプレス６１０の基部６４０の上面６３８上に乗るように、車輪６３４が解放される。他の作動構造要素を用いて台車６０８の支持から車輪６３４を係合又は解放することができるが、車輪６３４を係合又は解放する機能は、実質的に同じものとすべきであることを理解されたい。例えば、台車６０８の基板と接触するように、プレス６１０の基部６４０の上面６３８を上昇させることができる。
【００５１】
制御装置６１２は、押出成形プロセス６００を構成する様々な構成要素に電気的に結合される。制御装置６１２は、構造体部品の形成を取りまとめるように作動するプロセッサベースのユニットである。１つには、制御装置６１２は、複合材料の温度、押出複合材料６２５の体積流量、並びに、押出複合材料６２５を受け取る下部モールド６２６の、台車６０８を介した移動の位置及び速度を制御することによって、複合材料が下部モールド６２６上に堆積するのを制御するように作動する。制御装置６１２はさらに、熱可塑性材料を加熱するヒータ６１８を制御するように作動する。制御装置６１２は、押出機６０４を通って動的ダイ６０６に入る複合材料の実質的に一定の流量を維持するように、オーガ６２０の速度を制御することができる。代替的に、制御装置６１２は、押出機６０４からの複合材料の体積流量を変化させるために、オーガ６２０の速度を変化させることができる。制御装置６１２はさらに、押出機６０４及び動的ダイ６０６の中のヒータ（図示せず）を制御することができる。形成される構造体部品に基づき、押出複合材料６２５を下部モールド６２６に供給する動的ダイ６０６について、所定のパラメータの組を定めることができる。パラメータは、流量制御要素６２４を選択的に位置決めして、台車６０８の移動が、生産される構造体部品を定めるキャビティ６３０に応じた複合材料の体積流量と位置的に同期するように、定めることができる。
【００５２】
台車６０８はさらに、制御装置６１２によって制御され、押出複合材料６２５を加熱又は溶融状態に維持するように作動可能なヒータ（図示せず）を含むことができる。制御装置は、必要な台車の速度を変えることによって、押出複合材料６２５が下部モールド６２６に供給されている間に、台車６０８を制御することができる。下部モールド６２６への押出複合材料６２５の供給が完了すると、制御装置６１２は、台車６０８をプレス６１０に動かす。次いで、制御装置６１２は、プレス６１０が、車輪６３４を損傷することなく上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けることができるように、上述のように軌道６３６から車輪６３４を解放する機構（図示せず）に信号を送る。
【００５３】
図６Ｂは、図６Ａの押出成形システム６００ａの別の例示的なブロック図である。押出成形システム６００ｂは、構造体部品を形成する下部モールド６２６を支持する台車６０８を受け入れるように作動可能な２つのプレス６１０ａ及び６１０ｂに対応するように構成される。２つの台車６０８は、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６によって複数の構造体部品を形成するために、軌道又はレール６３６によって支持できることを理解されたい。１つの実施形態においては、車輪６３４及びレール６３６を使用して台車６０８を移動させることができるが、他の移動機構を使用して台車６０８の移動を制御できることを理解されたい。例えば、コンベア、懸架装置、又は軌道駆動システムを使用して、台車６０８の移動を制御することができる。
【００５４】
制御装置６１２を複数の構造体部品に対応するように構成して、押出成形システム６００ｂが、異なるプレス６１０ａ及び６１０ｂによって異なる構造体部品を同時に形成できるようにすることができる。制御装置６１２は、複数の構造体部品を形成するように作動可能なパラメータを記憶することができるため、制御装置６１２は、汎用ソフトウェア・プログラムのパラメータを使用することによって動的ダイ６０６並びに台車６０８ａ及び６０８ｂの制御を簡単に変化させ、それにより、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６を用いて２つの異なる構造体部品を形成することができる。付加的なプレス６１０及び台車６０８を使用して、単一の押出機６０４及び動的ダイ６０６によってより多くの構造体部品を実質的に同時に生産できることを理解されたい。
【００５５】
図７は、台車６０８によって支持される下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させている動的ダイ６０６の例示的な分解図である。示されるように、動的ダイ６０６は、複数の流量制御要素６２４ａ〜６２４ｉを含む。流量制御要素６２４の数は、形成される構造体部品の解像度すなわち詳細さに応じて、増加又は減少することができることを理解されたい。示されるように、流量制御要素６２４は、各々の流量制御要素６２４に関連して、より多くの又はより少ない押出複合材料６２５の体積流量をもたらすために、異なる高さに位置決めされる。例えば、流量制御要素６２４ａは、複合材料が動的ダイ６０６のその区域を通過しないように、完全に閉鎖される。したがって、閉鎖された流量制御要素６２４ａに関する体積流量ｆaは、ゼロである。流量制御要素６２４ｂは、高さｈ1を有する開口部を形成するように開かれ、それにより、押出複合材料６２５ｂの体積流量ｆbを与える。同様に、流量制御要素６２４ｃは、より高い体積流量ｆcで下部モールド６２６上に出力される押出複合材料６２５ｃのためのより大きな開口部を形成するように開かれる。
【００５６】
流量制御要素６２４の各々に関連する押出複合材料６２５の濃淡の変化によって示されるように、流量制御要素６２４は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって形成される構造体部品に基づいて、動的に調節することができる。したがって、形成される構造体部品（例えば、ある領域全体にわたる深絞り）に基づき、流量制御要素６２４を調節して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２の限られた領域にわたって押出複合材料６２５の体積流量を変化させることができる。言い換えると、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって定められるキャビティ６３０に基づいて、複合材料層６２８の厚さを変えることができる。例えば、複合材料層領域６２８ａは、複合材料層領域６２８ｂより薄く、下部モールド６２６におけるキャビティ６３０の他の場所より深いドラフトを有するキャビティ６３０ａを充填するのに十分な厚さである。言い換えると、押出複合材料層６２８は、モールド６２６及び６３２によって定められるキャビティ６３０の深さに基づいて、動的に変化する。押出成形システム６００ａで実施することが可能な二軸制御プロセス及び三軸制御プロセスのいずれにおいても、押出複合材料６２５の体積流量と台車６０８の移動速度とに基づいて、押出複合材料層６２８を、厚さに関して動的に変化させることができる。
【００５７】
下部モールド上への押出複合材料の堆積は、生産される構造体部品に応じて、二軸又は三軸において堆積させる押出複合材料の量を制御することによって、行うことができる。二軸制御の場合には、台車の移動は、堆積の軸線に沿って様々な量で押出複合材料を堆積させるように、移動の軸線に沿って制御することができる。三軸制御の場合には、押出機の出力は、流量制御要素を含む動的ダイを使用することができ、それにより、移動の軸線に直角な軸線に沿って下部モールドの上に同時に堆積する異なる体積流量をもたらす。下部モールドの特定の場所に押出複合材料を堆積させるために、軸外制御又は非軸制御に関する他の実施形態を提供できることを理解されたい。
【００５８】
台車と、下部モールドに供給される複合材料とを制御することによって、厚い連続層から円又は楕円の細い輪郭に至るまで、あらゆるパターンを下部モールドに形成することができ、離散数学によって記述することができるあらゆる二次元形状を、材料を用いて描くことができる。さらに、所与の範囲に堆積させられる複合材料の体積が制御されるため、三次元パターンを生成して、例えば深いドラフト及び／又は隠しリブを伴う構造体部品を提供することができる。構造体部品が冷却されると、エジェクタを用いて固まった材料をモールドから押し出すことができる。本発明の原理は、２つ又はそれ以上の固有の部品を同時に生産できるように設計し、それにより、実質的に連続的な複合材料の流れを用いることにより生産効率を最大にすることができる。
【００５９】
押出成形プロセスの付加価値のある利点
押出成形システムを用いると、大型の長繊維強化プラスチック部品を、インライン式で、かつ、極めて低い処理コストで、生産することができる。押出システムの特徴によって、（１）材料融通性、（２）堆積プロセス、（３）低圧、及び（４）装置効率性を提供する強化プラスチック部品生産ラインが得られる。材料融通性は、インライン化合から材料コスト及び装置コストの両方を節減し、さらに材料特性の融通性をもたらす。堆積プロセスは、材料堆積プロセスに付加価値を付け、より複雑な形状（例えば、大きなドラフト及びリブ）、より良好な材料の流れ、モールドの中に大きなインサートを含ませる際の容易さを可能にする。低圧は、成形圧力の低減に向けられ、モールドと装置の両方の摩耗を減少させ、極めて小さな応力を構造体部品に閉じ込める。装置効率性は、同時に２つ又はそれ以上の全く異なるモールドを用いて押出システムの効率を向上させる能力をもたらし、それにより、生産作業を行うのに必要な装置の数を減少させる。さらに、本発明の原理による材料供給システムは、多くの既存の装置と統合することができる。
【００６０】
材料融通性
押出成形プロセスによって、幾つかの異なる種類の樹脂及び繊維を用いて特殊用途向けの複合材料配合物を化合することが可能になる。押出システムは、上述のように、幾つかの樹脂を用いて部品を生産することができる。従来の圧縮成形を用いる場合は、樹脂を繊維及び所望の添加剤と混合したブランクとして一般に知られる、予め製造された熱可塑性シートを、熱可塑性シート生産者から購入する。しかしながら、これらのブランクは、複数の中間業者を経るため、及び、通常は所定の混合物の状態でのみ販売されるため、高価である。本発明の原理による押出成形プロセスを利用することにより、これらのコストは、原材料を使用し、予め製造されたシートを購入する必要なく構造体部品を生産するインライン式化合プロセスによって、低減することができる。押出成形システムは、材料を予熱するオーブンを必要とせず、加熱されたシートをモールドに移動させるように作動するため、人件費及び装置費も大幅に低減する。運転員が必要に応じて化合比を制御するため、例えば、成形の間に特性を変化させる能力、又は段階的な色の変化を生成する能力を含むほぼ無限の融通性が、プロセスに加えられる。また、シート成形とは異なり、押出成形システムは、溶融強度を有する材料を必要とせず、これがシステムに付加的な融通性を与える。１つの実施形態においては、押出成形システムは、熱硬化性樹脂を使用して構造体部品を生産することができる。押出成形システムはまた、５０パーセントを超える達成可能な繊維の体積分率と、繊維長の８５パーセント又はそれ以上が原材料から最終的な部品まで維持された１インチから４インチ又はそれ以上の繊維長とで強化するために、上述のように、炭素、ガラス、及び他の繊維を含む様々な繊維材料を用いることができる。
【００６１】
堆積プロセス
本発明の原理による押出システムは、例えば深いドラフト又は隠しリブのためにより多くの材料が使用されることになるモールドの領域において、複合材料の可変配置（ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｌａｙ−ｄｏｗｎ）を可能にし、それにより、成形及び圧縮の際に使用される力を最小にする。複合材料の可変配置によって、当該技術分野において理解されるように、典型的な圧縮成形プロセスを用いる場合と比べて、より高い精度、より充填されたモールド、及び、より少数の「ショートショット」がもたらされる。可変配置によって、構造体部品の両側に成形される大きな構造部、並びに、構造体部品内へのインサート又は芯の配置を可能にする。最後に、材料は、（予めシートにされ、次いでモールドに圧入されるのとは対照的に）溶融状態でモールドの上に堆積されるときに相対的に極めて低い粘度を有するため、繊維は、捕捉されることも望ましくない方向になることもなく、容易にリブに入り、大きな寸法面積を覆うことができる。
【００６２】
低圧
押出成形プロセスの間に堆積する熱可塑性複合材料は、予め化合された加熱されシートからの熱可塑性複合材料より流動性が高く、したがって、熱可塑性複合材料をより簡単にモールドの中に流すことができる。モールドの中に堆積する複合材料の流動性は、他のほとんどの成形プロセスに優る、極めて低減された成形圧力要件につながる。圧縮成形に用いられる圧力である１平方インチ当たり１０００ポンドに対して、このプロセスのためのプレスは、一般に、１平方インチ当たり１００ポンドの範囲で作動する。この低い圧力は、より少ない摩耗につながり、それにより、モールドとプレスの両方に関する維持費を低減する。低い圧力のため、２００，０００ドル以上の経費がかかる可能性のあるスチール金型を必要とせず、３００，０００サイクルが可能なアルミニウムモールドをわずか４０，０００ドルで製造することができる。より安価な金型もまた、将来の設計変更にとって融通性の高さにつながる。熱可塑性樹脂は、低圧下でモールドの面の上に移って成形されるため、材料内には低い応力しか閉じ込められず、それにより、より良好な寸法公差とより少ない反りにつながる。
【００６３】
装置効率性
押出成形プロセスは、同時に稼働する２つ又はそれ以上のモールドを用いることができるため、第１のモールドを冷却し取り出すと同時に第２のモールドを充填し圧縮することができるので、部品当たりの平均サイクル時間が低減し、生産性が向上する。また、押出成形システムは、最小限の重複する構成要素を使用する。１つの実施形態においては、押出システムは、各々のモールドについて別個のプレスを使用するが、他の設備は、モールドの組の間で統合して共有し、ソフトウェアを容易に変更して、他のモールドを取り入れることができる。押出供給システム６００ａをさらに現在の製造設備に統合し、既存の圧縮モールド及びプレスを組み合わせることができる。
【００６４】
図８Ａは、複合材料を下部モールド６２６上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するのに使用することができる押出成形プロセスを説明する例示的なフロー図である。押出成形プロセスは、ステップ８０２において開始する。ステップ８０４において、熱可塑性材料を加熱して溶融した熱可塑性材料を作り、ステップ８０６において、繊維と配合して複合材料を作る。ステップ８０８において、溶融した複合材料は、動的ダイを通して供給され、下部モールド６２６上に重力降下する。二軸押出制御プロセスの場合は、ダイからの一定の出力を使用することができる。二軸プロセスにおいては、台車の移動は、一定の速度で維持される。三軸押出制御プロセスにおいては、動的ダイ６０６は、可変速の台車又はモールドと共に使用することができる。二軸押出制御プロセス及び三軸押出制御プロセスのいずれの場合も、ステップ８１０において、下部モールド６２６は、下部モールド６２６及び上部モールド６３２によって定められるキャビティ６３０に必要な複合材料の量に合うように、複合材料を受け取りながら空間的及び時間的に移動することができる。ステップ８１２において、上部モールド６３２を下部モールド６２６に押し付けて、複合材料を下部モールド６２６及び上部モールド６３２内でプレスする。プロセスは、ステップ８１４で終了する。
【００６５】
図８Ｂは、三軸制御押出成形プロセスによって、図６Ａの押出成形システム６００ａを使用して構造体部品を生産するための例示的なフロー図である。構造体部品生産プロセスは、ステップ８１６において開始する。ステップ８１８において、熱可塑性材料を受け取る。ステップ８２２において、熱可塑性材料を加熱する。１つの実施形態においては、熱可塑性材料は、溶けた状態又は溶融した状態まで加熱される。ステップ８２０において、所定の繊維長を有する繊維を受け取る。ステップ８２２において、繊維を加熱された熱可塑性材料と配合して、複合材料を作る。繊維を、ガラス又は他の補強材料でできた繊維の長いストランドとして、大型の構造体部品を形成することができる。例えば、長さが２分の１インチから４インチ又はそれ以上の繊維長を使用して、構造体部品を形成することができる。
【００６６】
ステップ８２６において、複合材料を押し出す。押出プロセスにおいては、複合材料を押し出すのに使用されるオーガ６２０又は他の機構は、繊維の損傷を実質的に回避すように構成して、元の繊維長が実質的に維持される（例えば、８５％又はそれ以上）ようにする。例えば、スクリュータイプのオーガ６２０を用いる場合には、ネジ山の間隔は、繊維の長さより長くなるようにそれにより、繊維の損傷を実質的に回避する。
【００６７】
ステップ８２８において、押出複合材料６２５は、下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の堆積を制御する平面を横切って、異なる体積流量で動的に出力される。ステップ８３０において、下部モールド６２６は、平面Ｐを横切る異なる体積流量に関して、押出複合材料６２５を受け取るように位置的に同期させることができる。１つの実施形態においては、モールド６２６の位置的同期は、一定の速度又は調節可能な速度で並進させることができる台車６０８の上方の高さｄに設置される流量制御要素６２４に従って行われる。例えば、一定の、すなわち、平らな押出複合材料層６２８を堆積させるために、台車６０８は、実質的に一定の速度で移動させることができるが、押出複合材料層６２８の体積を増加又は減少させるためには、台車６０８は、それぞれより遅い速度で、又はより早い速度で、移動させることができる。ステップ８３２において、押出複合材料層６２８となった押出複合材料６２５は、モールド６２６内でプレスされ、熱可塑性構造体部品を形成する。構造体部品形成プロセスは、ステップ８３４で終了する。
【００６８】
図９は、図６Ａにおける押出システム６００ａの構成要素内部で作動する制御装置と通信するように構成された制御装置６１２の例示的なブロック図９００である。制御装置６１２は、当該技術分野において理解されるように、デジタル及び／又はアナログの通信チャネルを用いて、双方向通信のための種々の制御装置と通信する。構成要素内部で作動する制御装置は、当該技術分野において理解されるように、プロセッサベースで作動する開ループ又は閉ループ制御ソフトウェアとすることができ、制御装置６１２に対するスレーブコンピュータとして作動する。代替的に、制御装置は、制御装置６１２に対するスレーブユニットとして作動する、アナログ回路又はデジタル回路といった非プロセッサベースの制御装置とすることができる。
【００６９】
フィーダ６１４は、複合材料Ｍ１と繊維材料Ｍ２とを混合するためのフィーダ６１４の速度及び温度を制御するように作動する速度及び温度制御装置９０２を含むことができる。フィーダ速度及び温度制御装置９０２は、モータ及びヒータを制御する単一又は複数の制御装置で構成することができる。制御装置６１２は、フィーダ６１４の速度及び温度を指定又は命令するように作動し、一方、フィーダ６１４の速度及び温度制御装置９０２は、制御装置６１２から受けた命令を実行するように作動する。例えば、動的ダイ６０６を介して押し出されている複合材料の量に基づいて、制御装置６１２は、押出機６０４に送られる材料Ｍ１及びＭ２の速度を大きくすることができる。
【００７０】
制御装置６１２はさらに、ヒータ制御装置９０４と通信する。制御装置６１２は、ヒータ制御装置９０４から受信したフィードバックデータに基づいて、制御データをヒータ制御装置９０４に送信することができる。例えば、送り動作の間にヒータ制御装置９０４の温度が下がった場合には、制御装置６１２は、ヒータ６１８の温度を上げるように、制御データ１０１８によってヒータ制御装置９０４に命令を出すことができる。代替的に、ヒータ制御装置９０４は、当該技術分野において理解されるようなフィードバック調整回路を使用して、温度を、制御装置６１２によって命令された温度に調整し、監視目的で単に温度を制御装置６１２に報告することができる。
【００７１】
制御装置６１２はさらに、押出機速度及び温度制御装置９０６と通信し、オーガ６２０の速度及び押出機６０４の温度の制御を行う。押出機速度及び温度制御装置９０６は、押出機６０４の領域内部の複数のヒータを制御し、各々のヒータの温度を制御装置６１２に送信するように作動可能とすることができる。押出機速度及び温度制御装置９０６は、複数の制御装置で構成できることを理解されたい。
【００７２】
制御装置６１２さらに、動的ダイ６０６の流量制御要素６２４を制御する動的ダイ制御装置９０８と通信する。動的ダイ制御装置９０８は、流量制御要素６２４の各々を、まとめて又は個々に制御するように作動することができる。代替的に、流量制御要素６２４の各々は、別個の制御装置によって個々に制御することができる。したがって、制御装置６１２は、開ループ方式で、流量制御要素６２４の各々についての位置を設定するために、動的ダイ制御装置９０８に命令を出すように作動することができる。例えば、ステッピングモータを開ループ方式で使用することができる。各流量制御要素６２４の実際の位置は、制御装置６１２が流量制御要素６２４の位置を制御するのに利用するために、フィードバックデータ１０２２によって制御装置６１２に返信することができる。
【００７３】
制御装置６１２はさらに、台車６０８と結合され、台車６０８の位置と下部モールド６２６の温度とを制御するように作動可能な台車制御装置９１０と通信する。制御装置６１２は、台車６０８を制御装置６１２によって命令された位置まで駆動するサーボとして作動する台車制御装置９１０に制御信号１０１８を与えることができ、押出複合材料６２５を下部モールド６２６上に堆積させる場合には、それに応じて下部モールド６２６を位置決めする。下部モールド６２６上に堆積する押出複合材料層６２８は、堆積時には溶融しているが、最初に堆積した押出複合材料層６２８は、後の押出複合材料６２５が堆積するにつれて冷却されるようになる。したがって、制御装置６１２は、押出複合材料６２５の堆積の時間及び／又は熱可塑性材料Ｍ１の溶融状態温度要件などの他の因子に基づいて、押出複合材料層６２８の温度を実質的に一定の温度に維持するように、制御データ１０１８を台車制御装置９１０に送信することができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、台車６０８の現在の温度並びに位置及び速度の状態と、下部モールド６２６の温度とを与えることができる。
【００７４】
制御装置６１２はさらに、押出成形システム６００ａのヒータ及び／又はクーラの温度を制御するように作動可能な加熱／冷却制御装置９１２と通信することができる。加熱／冷却制御装置９１２は、熱可塑性材料Ｍ１、周囲温度、生産されている構造体部品の性質、生産速度などといった多数の因子に基づいて、該加熱／冷却制御装置９１２に特定の温度又は可変温度で作動するように命令する制御データ１０１８を、制御装置６１２から受信することができる。加熱／冷却制御装置９１２は、システムレベルのヒータ及びクーラ、又は、構成要素レベルのヒータ及びクーラを制御することができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、現在の温度と、ヒータ及びクーラの状態とを与えることができる。
【００７５】
制御装置６１２はさらに、上部モールド６３２のプレス動作及び温度を制御するように作動可能なプレス制御装置９１４と通信することができる。プレス制御装置９１４は、プレス６１０の製造者がプレス６１０と共に提供する標準的な制御装置とすることができる。同様に、プレス制御装置９１４は、上部モールド６３２の温度を制御する温度制御装置を含むものとすることができる。代替的に、温度制御装置は、プレス６１０の製造者によって提供されるプレス制御装置９１４とは無関係なものとすることができる。フィードバックデータ１０２２は、制御装置６１２が管理及び監視機能を実行することができるように、プレスの現在の位置及び力と、上部モールド６３２の温度とを与えることができる。
【００７６】
制御装置６１２はさらに、成形された構造体部品の取り出し動作を制御するように作動可能な取出ツール制御装置９１６と通信することができる。プレス６１０がプレス動作を完了したというプレス制御装置９１４からの通知を制御装置６１２が受信したことに応答して、制御装置６１２は、成形された構造体部品の取り出しを開始するように、制御信号１０１８を取出ツール制御装置９１６に送ることができる。したがって、フィードバックデータ１０２２を使用して、取出ツールの現在の動作を示すことができる。フィードバックデータ１０２２が、取出ツールが成形された構造体部品を取り出すのが困難であることを示す場合には、押出成形システム６００ａのオペレータは、取出ツール、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２、プレス６１０、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２のヒータ若しくはクーラ、又は、押出成形システム６００ａの他の構成要素若しくは機能に関して、問題が存在することを通知することができる。
【００７７】
制御装置６１２は、押出成形システム６００ａの構成要素の各々についての主制御装置となるように構成することができるが、制御装置６１２は、より分散型の制御装置として構成要素を管理するように構成できることを理解されたい。言い換えると、構成要素の制御装置は、機能を実行するように制御装置６１２によって命令されるサーボとしてではなく、生産されている構造体部品のパラメータを用いて動作パラメータ及び制御パラメータを計算する、より知的な制御装置として作動することができる。例えば、押出成形システム６００ａが、台車６０８に結合するようにもしないようにもできる静止した下部モールド６２６に対して押出機６０４の出力を変えるか又は動かすように構成された場合には、制御装置６１２は、台車６０８の移動ではなく押出機６０４の出力の動きを制御するようにプログラムすることができる。
【００７８】
図１０は、図６Ａの制御装置６１２の例示的なブロック図である。制御装置６１２は、メモリ１００４及びユーザインターフェース１００６に結合されたプロセッサ１００２を含む。ユーザインターフェース１００６は、タッチスクリーン、電子ディスプレイ及びキーボード、ペンベースのインターフェース、又は、当該技術分野において理解される他のいずれかのユーザインターフェースとすることができる。プロセッサ１００２はさらに、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ユニットと、情報をデータベース又はファイル１０１２ａ〜１０１２ｎ（まとめて１０１２）に記憶する記憶ユニット１０１０とに結合される。データベース１０１２は、下部モールド６２６若しくは上部モールド６３２に関連するデータなどの、押出成形システム６００ａを制御するための制御パラメータを記憶するのに使用することができる。データベース１０１２はさらに、押出システム６００ａの作動の間に押出システム６００ａからフィードバックされるデータを記憶するのに使用することができる。
【００７９】
プロセッサ１００２は、押出成形システム６００ａの種々の構成要素を制御し、データベース１０１２を管理するのに使用されるソフトウェア１０１４を実行するように作動可能である。押出成形システム６００ａを制御する場合には、ソフトウェア１０１４は、Ｉ／Ｏユニット１００８及び制御バス１０１６を介して押出成形システム６００ａと通信する。制御データ１０１８は、制御バス１０１６を通るデータパケット及び／又はアナログ制御信号によって、押出成形システム６００ａに送信される。制御バス１０１６は、各々が押出成形システム６００ａの異なる構成要素と関連する複数の制御バスで構成できることを理解されたい。制御バス１０１６は、シリアルプロトコル又はパラレルプロトコルを使用して作動できることをさらに理解されたい。
【００８０】
単一バス構造又は複数バス構造とすることができるフィードバックバス１０２０は、作動の間に押出成形システム６００ａからデータ１０２２をフィードバックするように作動可能である。フィードバックデータ１０２２は、温度、位置、速度、レベル、圧力、又は押出成形システム６００ａから測定される他のセンサ情報といったセンサデータとすることができる。したがって、Ｉ／Ｏユニット１００８は、押出成形システム６００ａからフィードバックデータ１０２２を受信し、ソフトウェア１０１４によって利用するためにフィードバックデータ１０２２をプロセッサ１００２に送信するように作動可能である。ソフトウェア１０１４は、フィードバックデータをデータベース１０１２に記憶し、フィードバックデータ１０２２を使用して押出成形システム６００ａの構成要素を制御することができる。例えば、ヒータ制御装置９０４によって制御装置６１２にフィードバックされるヒータの温度について、ヒータ６１８の温度があまりに低くなった場合には、制御装置６１２は、ヒータの温度を上げるように、制御データ１０１８によってヒータ６１８に命令を出すことができる。制御装置６１２又は構成要素（例えば、ヒータ）は、構成要素の制御又は調整を行うために、当該技術分野において理解される自動制御システムを含むものとすることができる。
【００８１】
作動中に、制御装置６１２は、押出成形システム６００ａによって１つ又はそれ以上の構造体部品を生産するための制御パラメータを記憶することができる。例えば、キャビティ６３０の寸法などの、モールド６２６及び６３２のパラメータに関連するデータを、データベース１０１２に記憶することができる。様々な構造体部品について複数のパラメータの組を記憶することによって、押出成形システム６００ａを使用して、実質的に同時に構造体部品を形成することができる。プロセッサ１００２は、実質的に同時に構造体部品を形成するように、異なるパラメータの組を平行して用いてソフトウェア１０１４を実行することができる。すなわち、１つの構造体部品がプレスされているときに、押出複合材料６２５を下部モールド６２６上に与えることによって動的ダイ６０６を介して別の構造体部品を形成することができる。
【００８２】
図１１は、プロセッサ１００２によって実行されるソフトウェア１０１４の例示的なブロック図である。システムマネージャ１１００が、制御装置６１２の様々な状況を管理するように作動可能である。システムマネージャ１１００は、オペレータインターフェース１１０２、システムドライバ１１０４、及びデータベースマネージャ１１０６とインターフェース接続される。
【００８３】
オペレータインターフェース１１０２は、押出成形システム６００ａを手動で制御するか、又は、構造体部品を生産するためのプログラム及び／又はプロファイルを構築するために、押出成形システム６００ａのオペレータにインターフェースを提供するのに使用される。オペレータインターフェース１１０２は、予めプログラムされているときには構造体部品を生産するためのプログラムをオペレータが選択できるようにするプログラムセレクタ１１０８と通信する。例えば、押出成形システム６００ａを制御して、下部モールド６２６及び上部モールド６３２に従ってパレットの設計者によって定められたパレットを生産するために、パレットを生産するように構築されたプログラムをオペレータインターフェース１１０２を介してオペレータによって選択することができる。１つの実施形態においては、プログラムセレクタ１１０８は、構成部品を制御するための特定のパラメータの組を使用して押出成形システム６００ａを制御することによって特定の構造体部品を生産する汎用プログラムを単に選択するだけである。プログラムセレクタ１１０８は、オペレータが、特殊な構造体部品を形成するために特殊なパラメータの組を選択する、及び／又は、構造体部品を形成するためのプロセスを変更するようにパラメータを編集することを可能にする、パラメータセレクタ／エディタ１１１０と通信することができる。パラメータセレクタ／エディタ１１１０は、様々な異なるパラメータデータファイルから、異なる構造体部品を形成するために押出成形システム６００ａの構成要素を駆動する制御装置６１２が利用可能な特殊なパラメータの組を選択するために、データベースマネージャ１１０６とインターフェース接続することができる。例えば、データベースマネージャ１１０６は、パレット、Ｉ−ビーム、バックボードなどを生産するためのパラメータの組にアクセスすることができる。押出成形システム６００ａの構成要素の各々は、汎用ドライバによって制御することができ、それに応じて、構造体部品を生産するために選択されたパラメータは、押出成形システム６００ａの構成要素の各々の動作を変えられることを理解されたい。
【００８４】
システムドライバ１１０４は、当該技術分野において理解されるように、押出成形システム６００ａの構成要素を統合するのに使用することができる。例えば、個々のシステムドライバ１１０４を使用して、フィーダ６１４、ヒータ６１８、押出機６０４、動的ダイ６０６、台車６０８、及びプレス６１０を制御することができる。システムドライバ１１０４は、押出成形システム６００ａのオペレータによってカスタマイズできるものとするか、又は、プレス６１０のように特定の構成要素の製造者によって提供される汎用ドライバとすることができる。構造体部品を生産する押出成形システム６００ａの作動の際に、システムドライバ１１０４は、構造体部品を生産するように選択されたパラメータを使用して、押出成形システム６００ａの構成要素を駆動することができる。
【００８５】
押出成形システム６００ａの構成要素を制御する際には、データベース１０１２と状態警報フィードバックマネージャ１１１４とを使用して、押出成形システム６００ａの構成要素の各々についてフィードバック制御を行う。例えば、ヒータ６１８は、温度センサ（図示せず）によって実際の温度をフィードバックすることができる。ヒータ６１８の測定温度に基づいて、ヒータ６１８を制御するのに使用されるシステムドライバ１１０４は、実際の温度測定値に従ってヒータ６１８の温度を上昇又は下降させることができる。したがって、他のセンサは、押出成形システム６００ａ内の構成要素の各々及び／又は複合材料の、温度、圧力、速度、重量、位置などをフィードバックするのに使用することができる。構成要素の致命的な故障の場合には、警報が制御装置６１２にフィードバックされ、状態警報フィードバックマネージャ１１１４によって検出される。警報が重大な故障であると判断された場合には、システムドライバ１１０４は、ハードウェアの損傷とオペレータの負傷とを防止するために、押出成形システム６００ａの１つ又はそれ以上の構成要素を停止することができる。こうした警報に応答して、システムマネージャ１１００は、オペレータインターフェース１１０２を起動して故障を表示し、修正措置に関する注意などを提供することができる。
【００８６】
図１２は、流量制御要素６２４ａ〜６２４ｆ及びグリッド１２０２に区切られた下部モールド６２６の例示的な概略図である。グリッド間隔は、ｙ軸に沿って（間隔１〜５として示される）流量制御要素６２４により定められ、ｘ軸に沿って間隔ａ〜ｅにより定められる。ｙ軸に沿ってより多くの流量制御要素６２４を使用し、ｘ軸に沿ってより小さな間隔を定めることによって、より解像度の高いグリッドが得られることを理解されたい。形成される具体的な構造体部品に応じて、より高い解像度か又はより低い解像度が望ましく、より高い解像度又はより低い解像度を定めるようにオペレータによって設定されるパラメータは、構造体部品を生産するのに用いるために、データベースマネージャ１１０６を介して制御装置６１２に記憶することができる。
【００８７】
表２〜表１０は、押出成形システム６００ａの構成要素を制御するのに使用される例示的なデータ表である。具体的には、表は、構成要素を制御するための制御データ１０１８と、構成要素から制御装置６１２が受信したフィードバックデータ１０２２とを提供する。表２は、熱可塑性複合材料Ｍ１と、繊維材料Ｍ２と、構造体部品を形成する他のいずれかの材料（例えば、色）とを送るのに用いられるフィーダ６１４の制御のために提供される。示されるように、制御データ１０１８は、各々のフィーダ６１４が材料を押出成形システム６００ａに供給している速度を含み、フィードバックデータ１０２２は、現在各々のフィーダ６１４内にある材料のレベルを含む。押出成形システム６００ａの作動の間に、フィーダ６１４から供給される材料の速度が制御され、フィーダ６１４内の材料のレベルが測定され、オペレータは、追加の材料をフィーダ６１４に加えることができるように、フィーダ６１４内で最低量に達したことに応答して、材料のレベルの通知を受けることができる。
【００８８】
【表２】
【００８９】
表３は、押出機６０４におけるヒータの温度制御を示す例示的な表である。押出機６０４が、７つの温度領域１〜ｎを有するものとして定められる場合には、各々の領域の温度は、加熱若しくは冷却、オン若しくはオフ、及び／又は、特定の温度（図示せず）に設定されるように定められる押出機温度制御によって設定することができる。フィードバックデータ１０２２は、押出機６０４の各領域の実際の温度を含むことができる。したがって、温度センサは、押出機６０４の各々の領域に組み込まれ、検出された温度は、フィードバック制御のためにフィードバックバス１０２０を介して制御装置６１２にフィードバックされる。
【００９０】
【表３】
【００９１】
表４は、押出機６０４内で作動するオーガ６２０を駆動するモータ（図示せず）の速度制御を示す例示的な表である。制御データ１０１８は、モータを駆動するために設定する速度データを含む。モータの実際の速度及び負荷は、フィードバックデータ１０２２によって、制御データ１０１８を介して押出機６０４のオーガ６２０の速度を制御するのに使用されるシステムドライバ１１０４にフィードバックされる。
【００９２】
【表４】
【００９３】
表５は、動的ダイ６０６のヒータの温度制御を定める。制御データ１０１８は、動的ダイ６０６内部の領域１〜ｎによって定めることができる。押出機６０４の温度制御と同様に、ヒータ６１８は、動的ダイ６０６内部の異なる領域の温度を制御及び／又は調整するために、加熱及び冷却制御、及び／又は、オン及びオフ設定を含むことができる。したがって、フィードバックデータ１０２２は、動的ダイ６０６の制御のために、動的ダイ６０６内部の領域の各々についての実際の温度を含むことができる。
【００９４】
【表５】
【００９５】
表６は、動的ダイ６０６の流量制御要素６２４の制御のための例示的なデータである。示されるように、制御データは、流量制御要素１〜ｎと、各々の流量制御要素６２４について１〜ｍの範囲の位置とを含む。流量制御要素６２４は、ほぼ無限の数の位置を有するものすることができることを理解されたい。しかしながら、実際上、流量制御要素の位置は、典型的には、例えば０〜６インチまでの範囲の４分の１インチごとなどのように、ある所定の位置を持つように設定される。流量制御要素６２４の位置を制御する場合には、ステッピングモータ又は他の種類のモータを使用することができる。制御装置６１２によって動的ダイ６０６に送信される制御データ１０１８間の位置の偏差を、当該技術分野において理解されるようにフィードバックデータ１０２２を介してフィードバックループによって修正することができるように、流量制御要素６２４についてのフィードバックデータ１０２２は、流量制御要素６２４の現在の位置を含む。
【００９６】
【表６】
【００９７】
表７は、下部モールド６２６の温度制御を示す例示的な表である。同様の表を、上部モールド６３２の温度を制御するのに使用できることを理解されたい。示されるように、下部モールド６２６は、多数の領域１〜ｎに分割することができ、ヒータ及び／又はクーラを各々の領域に適用して、制御データ１０１８によって命令されるように下部モールド６２６を加熱及び冷却することができる。したがって、制御装置６１２によってフィードバック制御を実行して、下部モールド６２６の温度を調整することができるように、フィードバックデータ１０２２は、下部モールド６２６の実際の温度を提供することができる。例えば、押出複合材料６２５が下部モールド６２６に加えられるときに、領域全体にわたって下部モールド６２６の温度を調整して、複合材料が下部モールド６２６上に堆積し、モールド６２６及び６３２から構造体部品が取り出されるまで、時間及び他の要因に基づいて押出複合材料層６２８の温度を調整することができる。
【００９８】
【表７】
【００９９】
表８は、台車６０８を制御するための例示的な制御パラメータを示す例示的な表である。示されるように、制御データ１０１８は、台車６０８の位置制御、速度制御、及びリフト制御を含む。台車６０８の動きを制御するために付加的な制御データ１０１８を含むことができることを理解されたい。例えば、加速度、回転位置若しくは角度位置、又は他の動的制御データを使用して、下部モールド６２６上に堆積又は重力降下している押出複合材料６２５の投入に対して下部モールド６２６を適切に位置合わせするように、台車６０８を移動又は同期させることができる。台車６０８についてのフィードバックデータ１０２２は、台車６０８の実際の位置及び現在の速度を含むことができる。リフト制御データは、下部モールド６２６への押出複合材料６２５の堆積の際に、及び押出複合材料層６２８をプレス６１０によってモールド６２６及び６３４内でプレスする際に、それぞれ台車６０８の車輪６３４を係合及び解放するのに使用することができる。車輪６３４がリフト機構（例えば、空気チューブ）によって解放されるまでプレス６１０が始動しないことを確実にするために、リフトの実際の位置をフィードバックすることができる。
【０１００】
【表８】
【０１０１】
表９は、プレス６１０の制御を示す例示的な表である。制御データ１０１８は、ロック制御データ及びサイクルプレス時間を含むことができる。フィードバックデータ１０２２は、プレス６１０内の台車６０８の位置と、プレス盤の位置とを含むことができる。プレスを制御するために、他の制御パラメータ及びフィードバックパラメータをさらに含むことができる。例えば、上部モールド６３２の温度制御、プレス６１０の力などを含むこともできる。
【０１０２】
【表９】
【０１０３】
表１０は、プレスの完了後に、及び必要に応じて、構造体部品を形成する際の冷却プロセスの完了後に、モールド６２６及び６３２から形成された構造体部品を取り出す取出ツール（図示せず）の制御のための例示的な表を示す。制御データ１０１８は、取り出し開始サイクルを含むことができ、フィードバックデータ１０２２は、単一の取出ツール位置を含むことができる。複数の取出ツール、又は、１つの取出ツールの要素を使用することができ、他のセンサによるフィードバックデータを検出して制御装置６１２にフィードバックできることを理解されたい。
【０１０４】
【表１０】
【０１０５】
図１３は、複合材料を図６Ａの下部モールド６２６の上に堆積させるように位置合わせされた流量制御要素６２４ａ〜６２４ｉの上面図である。示されるように、流量制御要素６２４は、ｙ軸に沿って位置決めされ、押出複合材料６２５を下部モールド６２６の上に堆積させるための三軸制御を行う。したがって、押出複合材料６２５を堆積させるためのｘ軸制御は、流量制御要素６２４の下において異なる速度で台車６０８の移動を制御することによって行うことができ、押出複合材料６２５を堆積させるためのｙ軸制御は、流量制御要素６２４の調節によって行うことができ、押出複合材料６２５を堆積させるためのｚ軸制御は、ｘ軸及びｙ軸に沿って押出複合材料６２５の堆積を制御することによって行うことができる。
【０１０６】
押出複合材料６２５を堆積させるための、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿った制御は、（１）押出機６０４からの複合材料の体積流量を、オーガ６２０の回転速度によって制御すること、（２）台車６０８の移動の速度を単一の軸で制御すること、（３）単一の流量制御要素６２４又は一様に作動する複数の流量制御要素６２４を有する押出機６０４の出力の開口部を制御すること、（４）複数の流量制御要素６２４を個々に制御すること、及び（５）台車６０８の動きを複数の軸で制御すること、を含む様々な技術を用いて行うことができる。これらの技術の各々は、他の変数が一定に維持されるものと仮定している。例えば、技術（１）は、押出機６０４の出力開口部が固定されており、台車６０８が出力開口部の下を一定の速度で移動するものと仮定している。技術（２）は、押出機６０４からの複合材料の体積流量が一定であり、押出機６０４の出力開口部が固定されているものと仮定している。しかしながら、技術（１）、（２）、及び（４）を組み合わせた図６Ａに関して説明したように、これらの技術を組み合わせて、下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の配置をさらに制御できることを理解されたい。技術（５）は、下部モールド６２６に関するｘ軸及びｙ軸を制御するだけでなく、ｚ軸及びいずれかの数の軸周りの回転を制御することも含む。技術（５）を用いて下部モールド６２６に関するこうした制御を行うことによって、他の方法では不可能な場合もある様々な構造体部品を形成することができる。要するに、本発明のプロセスの様々な要素の全体的なコンピュータ制御は、押出プロセスと所望の部品の生産との調整、及び、プロセス全体の作動性に関して、重要な役割を果たす。
【０１０７】
最後に、下部モールド６２６の移動を制御するのではなく、押出機６０４からの出力開口部を移動させることによって、静止した又は移動する下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させることができる。例えば、レール又は他の機械的構造に沿って移動する出力開口部を制御して、下部モールド６２６上の特定の場所に複合材料を堆積させることができる。こうした機構の例として、レーザジェットプリンタがある。
【０１０８】
再び図１３を参照すると、流量制御要素６２４と、動的ダイ６０６の下を通過する下部モールド６２６との関係が示されており、右側のインチ表示の数字は、動的ダイ６０６の下を通過する台車６０８の位置と対応する。下部モールド６２６は台車６０８より小さいため、下部モールド６２６は、台車６０８内の１０インチの位置から始まる。表１１及び表１２は、流量制御要素６２４についての速度制御及びゲート制御のためのパラメータを示す例示的な表である。このパラメータは、押出成形システム６００ａを用いてパレットを生産するのに使用する用いることができる。
【０１０９】
【表１１】
【０１１０】
【表１２】
【０１１１】
表１１及び表１２は、流量制御要素６２４と台車６０８の移動との間の位置同期を示す。２つの構成要素（すなわち、動的ダイ６０６及び台車６０８）の間の動きを調整することによって、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０の容積によって規定されるとおりに、下部モールド６２６に沿った位置に押出複合材料６２５を堆積させることができる。言い換えると、押出複合材料６２５を下部モールド６２６の上に堆積させて、下部モールド６２６及び上部モールド６３２のキャビティ６３０を満たすのに十分な厚さの押出複合材料層６２８を形成し、それにより、構造体部品の特定の場所に深いドラフトと隠しリブを形成する能力を提供する。
【０１１２】
図１４は、図６Ａの押出成形システム６００ａによって生産されるパレット１４００の隅部の例示的な上面斜視図である。示されるように、パレット１４００の基部１４０２のドラフトすなわち深さｄ1は、パレット１４００の足１４０４の深さｄ2より浅い。本発明の原理を用いて下部モールド６２６上への押出複合材料６２５の堆積を制御することによって、補強材料Ｍ２（例えば、長ストランド繊維）を用いて、特定の領域により深いドラフトｄ2を有する、足１０４０のような構造を持つ大型の構造体部品を形成することができる。
【０１１３】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、それぞれ、隠しリブ１５０２ａ〜１５０２ｅ（まとめて１５０２）を有するプラットフォーム１５００の例示的な底面斜視図及び上面斜視図である。示されるように、隠しリブ１５０２は、高さは様々であるが、１つ又はそれ以上の領域上に一定の体積を有する。したがって、隠しリブ１５０２を有する領域上にはより多くの押出複合材料６２５を堆積させ、隠しリブ１５０２のない領域上にはより少ない押出複合材料６２５を堆積させる。プラットフォーム１５００は、押出成形システム６００ａを用いて単一成形の複合材料構造体として形成されるため、複数の部品で構成されるプラットフォームと比べて構造的な脆弱性が低い。
【０１１４】
挿入技術
形成する大型部品に強度を与えるために繊維を配合した複合材料を用いて構造体部品を形成することに加えて、さらに、特定の領域に挿入又は埋め込まれた、付加物、ファスナ、及び／又は、補強材といった他の成分を有することによって構造的に改良される構造体部品がある。例えば、相互接続性を備えるべき構造体部品は、強力で信頼性の高い相互接続をもたらすように、複合材料から延びる金属部品を使用することがある。１つのこうした構造体部品は、図１６Ａに示されるような、スケートリンク用の床仕上げ材１６００の一部である。床仕上げ材１６００は、熱可塑性材料Ｍ１及び繊維Ｍ２で作ることができる熱可塑性材料１６０２と、金属で作られるファスナ１６０４とを含む。
【０１１５】
床仕上げ材１６００を形成する場合には、押出複合材料層６２８がファスナ１６０４との結合層１６０６を形成してファスナの位置を保持するように、ファスナ１６０４を下部モールド６２６の中に位置決めするか又は配置する。ファスナ１６０４を床仕上げ材１６００にさらに固定するために、ファスナ１６０４に穴（図示せず）を設けて、押出複合材料層６２８がその穴を埋めることができるようにする。形成プロセスの際には、押出成形プロセスの間にファスナ１６０４の位置を保持するように、下部モールド６２６の中にアクチュエータを配置し、押出複合材料層６２８がまだ溶融状態の間に、制御装置６１２によってアクチュエータをはずすことができる。代替的に、ファスナ１６０４は、上部モールド６３２の中に配置できることを理解されたい。
【０１１６】
図１６Ｂは、救急医療師によって用いられることが多い脊柱矯正板１６１０の例示的な一部である。脊柱矯正板１６１０は、複合材料１６１２で作られ、複合材料１６１２の中に封入された挿入物１６１４を含む。挿入物１６１４は、脊柱矯正板１６１０が強化され、軽量化され、ｘ線を通すように、カーボンファイバチューブとすることができる。挿入物を封入する場合には、下部モールド６２６は、押出複合材料層６２８が挿入物１６１４との結合層１６１６を形成する間に、挿入物１６１４を所定の位置に保持するアクチュエータ又は簡単なピンを有することができる。この場合も同様に、押出複合材料層６２８がアクチュエータ又はピンによって残されるあらゆるボイドを埋めるように、押出複合材料層６２８が溶融状態にある間に、アクチュエータ及び／又はピンをはずすことができる。挿入物１６１４は、特定の用途又は形成される構造体部品に基づいて、実質的にいずれかの材料とすることができることを理解されたい。
【０１１７】
図１７は、図６Ａの押出成形システム６００ａを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を構造体部品に埋め込む又は挿入するための工程を説明する例示的なフロー図１７００である。挿入プロセスは、ステップ１７０２において開始する。ステップ１７０４において、下部モールド６２６又は上部モールド６３２のいずれかの中に挿入物を配置する。ステップ１７０６において、下部モールド６２６の上に、溶融した押出複合材料６２５を堆積させる。形成される構造体部品に挿入物を固定するために、ステップ１７０８において、挿入物の少なくとも一部の周囲に押出複合材料を形成する。１つの実施形態においては、挿入物は、押出複合材料６２５の中に封入されるか、又は完全に埋め込まれる（例えば、図１６Ｂを参照されたい）。代替的に、挿入物の一部が構造体部品から延びるように、挿入物の一部のみが押出複合材料６２５の中に埋め込まれる。
【０１１８】
ステップ１７１０において、いずれかの支持体を用いて下部モールド６２６又は上部モールド６２３の中に挿入物を配置する場合には、支持体を除去する。アクチュエータ制御のもの、簡単な機械ピン、又は、下部モールド６２６の上に押出複合材料６２５を堆積させる間に挿入物を支持できる他の機構とすることができる支持体は、ステップ１７１２において押出複合材料層６２８が固まる前に、除去される。押出複合材料層６２８は、プレス、真空引き、又は構造体部品を形成する他の工程の間に、自然冷却又は強制冷却することによって固めることができる。押出複合材料層６２８が固まる前に支持体を除去することによって、支持体によって生じる隙間を埋めることができ、それにより、構造体部品に支持体の跡も弱い所も残さない。ステップ１７１４において、少なくとも一部が埋め込まれた挿入物を有する構造体部品を、モールド６２６及び６３２から取り出す。ステップ１７１６において、挿入プロセスは終了する。
【０１１９】
本発明の別の実施形態においては、挿入物が、請求の範囲に記載されている発明のプロセスによって封入される。図１７において説明されるプロセスと類似する方法で、請求の範囲に記載されている押出成形システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を押出熱可塑性材料に封入することができる。本発明の他の実施形態においては、請求の範囲に記載されている押出成形システムを使用して、様々な厚さの複数の材料層を順に重ねて堆積させることができる。具体的には、熱可塑性材料の第１の層を下部モールドの中に押し出し、その後、同じ熱可塑性材料又は異なる熱可塑性材料の第２の層を、第１の層の上に層状に重ねる。本発明の特定の実施形態においては、第１の押出層に第２の押出層を層状に重ねる前に、又はその代わりに、第１の押出層の上に挿入物を置くことができる。この「積層」形態は、熱可塑性材料と、同一の又は異なる成分と、異なる挿入材料との複数の層を有する構造体の形成を容易にすることができる。
【０１２０】
有利なことに、本発明は、隆起した三次元中実構造部を有する物品の成形を可能にする。こうした隆起構造部の限定されない例として、隠しリブ、柱、取り付け柱、及びタブが挙げられる。
【０１２１】
物品は、必要に応じて、付加的な安定性及び強度をもたらす内部強化挿入物を有するものとすることができる。強化挿入物の例は、管、棒、及び網であるが、あらゆる種類の内部支持構造体を用いて強化することができる。強化挿入物は、あらゆる種類の形状又は構造を持つものとすることができる。例えば、強化挿入物の断面形状は、円形、半球形、星形、又は四角形とすることができるが、これらに限定されるものではない。強化挿入物はまた、炭素、金属、合成物質、プラスチック、又は、木材などの有機物質といったあらゆる種類の材料で作ることができる。
【０１２２】
本発明を用いて、ｘ面、ｙ面、及びｚ面の少なくとも１つが０．５フィートより長い物品などの大型物品を得ることができる。特定の実施形態においては、１フィート、２フィート、及び３フィートより長い寸法を有する大型物品を得ることができる。大型物品は、重量があるものとすることもでき、１０ポンドより重いものとすることができる。特定の実施形態においては、２０ポンド又は２５ポンドより重い物品を作成することができる。
本発明のさらなる実施形態は、以下に示される例から明らかとなるであろう。
【実施例】
【０１２３】
例１
本発明の実施形態においては、（６つの加熱領域と標準的なＰＥＴスクリュを備えた）直径４ １／２インチの単軸押出機を用いて、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社のポリプロピレン樹脂（ＣＯＰ３５４１）を、Ｊｏｈｎｓ−Ｍａｎｖｉｌｌｅ社の長さ１／２インチのグラスファイバと化合した。樹脂／ガラス混合物は、７０％のポリプロピレンと３０％のガラスで構成された。押出機の領域は、電気によって加熱され、以下の温度、すなわち、領域１＠３５０Ｆ、領域２＠３７５Ｆ、領域３＠４００Ｆ、領域４＠４５０Ｆ、領域５＠４７５Ｆ、領域６＠５０５Ｆに制御された。樹脂基体へのグラスファイバの結合を強化するために、結合剤（Ｐｏｌｙｂｏｎｄ）をガラス樹脂混合物に２％程度添加した。
【０１２４】
遮るもののない搬送パイプによって、各ゲートを通して押し出されるポリマーメルトの厚さを変えることが可能な個別制御ゲートを有する、水平に取り付けられ加熱された多ゲート型シート押出ダイに、加熱された混合物を進めた。押出プロセスを通して、ゲートダイ内部において、溶融した混合物を５０５°Ｆに保持した。溶融した樹脂／ガラス押出体を、水平に移動可能な加熱されたマッチドモールドの半モールドの上に重力によって堆積させた。溶融した混合物の堆積は、水平に取り付けられたシートダイのゲートの開閉と、水平に取り付けられたマッチドモールドの半モールドの制御された移動との組み合わせによって制御した。移動可能なモールドの表面の各点に堆積する溶融した材料の正確な幅、長さ、及び深さを調整するために、コンピュータプログラム及び電気制御を用いて、押出プロセスの間におけるダイのゲートの開閉及びマッチドモールドの半モールドの移動を行った。その際、結果として得られる、モールドの中に堆積した溶融材料は、所望の最終的な成形製品の溶融した「ニアネットシェイプ」配置になっている。
【０１２５】
樹脂／ガラス混合物の「ニアネットシェイプ」溶融堆積が完了すると、マッチドモールドの充填された半モールドは、台車システムを用いて、成形部品の最終的な圧密のための圧縮プレスまで機械的に搬送される。充填された半モールドは、最終的な成形部品の「ニアネットシェイプ」になっているため、マッチドモールドの他の半モールドを用いる最終的な圧縮成形ステップは、極めて低圧で、かつ、溶融した樹脂／ガラス混合物の動きが最小限の状態で、行うことができる。したがって、幅１２インチ、長さ２４インチ、深さ１／４インチの大きさの内部キャビティを有する長方形のマッチドモールドの雌部分を、上述した「ニアネットシェイプ」配置の溶融ポリプロピレン／ガラス混合物で充填した。充填されたモールドの雌部分を、８フィート×９フィートのプラテンとエアバッグブラダーを備えた、３００トンの空気圧縮プレスに機械的に搬送した。最終的な成形ステップにおいて、マッチドモールドの雄半モールドを、充填されたマッチドモールドの雌半モールドに押し付けた。モールドは、２００Ｆ以下に冷却されるまでそのまま維持した。最終的に得られる成形パネルは、およそ１２インチ×２４インチ×１／４インチの大きさであった。成形部品は以下の特性を示した。
【０１２６】
【表１３】
注：それぞれ、別個の３つのパネルついての５つの測定値の平均
【０１２７】
このように、成形パネルは、機械方向及び横断方向に互いに２０％以内の機械的特性を示し、したがってほぼ非等方的である。
成形パネルから樹脂を燃焼させ、残留したグラスファイバを解析することによって、成形パネル内の平均繊維長は、投入時の長さ０．５インチに対して０．４３インチであることが分かった。このことは、最終的な成形製品における当初繊維長の保存率が８５％であることを表す。
【０１２８】
例２
ＬＮＰ社の１／２インチ長グラスファイバを３０重量％含む、予め化合されたＡＢＳ（アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン）樹脂を、以下の押出機領域温度及びダイ温度、すなわち、領域１＠３７５Ｆ、領域２＠４００Ｆ、領域３＠４２５Ｆ、領域４＠４７５Ｆ、領域５＠５１５Ｆ、領域６＠５１５Ｆ、ダイ温度＠５１５Ｆを用いて、例１のとおりに押し出した。例１と同じモールドを用いて、およそ１２インチ×２４インチ×１／４インチのサンプルパネルを準備し、以下の特性を示した。
【０１２９】
【表１４】
注：それぞれ、３つの測定値の平均
【０１３０】
成形パネルは、機械方向及び横断方向に互いに他の２０％以内の機械的特性を示し、したがって、機械的特性はほぼ非等方的である。
成形パネルから樹脂を燃焼させ、残留したグラスファイバを解析することによって、成形パネル内の平均繊維長は、０．３０インチ、すなわち、元の繊維長の６０％あることが分かった。
【０１３１】
例３
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８８重量％／グラスファイバ１２重量％）を、木製のマッチドモールドを用いて例１のとおりに処理し、寸法が長さ１２フィート×幅８フィート×厚さ１インチ、重量が１２０ポンドの、固い中実のリブ付きレードームカバーを作成した。
【０１３２】
例４
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、固体アルミニウム製マッチドモールドを用いて例１のとおりに処理し、高さ７インチ×幅４インチ×長さ８フィート、重量２２ポンドの、中実の斜め強化リブを有するビームを作成した。
【０１３３】
例５
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社のナイロン６と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３４】
例６
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）と１インチ長炭素繊維との混合物（樹脂７０重量％／炭素繊維３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２フィート×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３５】
例７
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）と１／２インチ長Ｋｅｖｌａｒ繊維との混合物（樹脂７０重量％／Ｋｅｖｌａｒ繊維３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３６】
例８
ポリプロピレンと３インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３７】
例９
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂４５重量％／グラスファイバ５５重量％）を例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１３８】
例１０
ポリプロピレンと１／２フィート長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を例１のとおりに処理して、材料運搬パレットの２つの部分を作成し、次にこれらを接合して、寸法が長さ４８インチ×幅４０インチ×高さ６インチ、重量が６３ポンドの材料運搬パレットを作成した。
【０１３９】
例１１
ポリプロピレンと１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を例１のとおりに処理して、長さに沿って挿入された１インチ角のＩＤ鋼管を含む支持ビームを作成し、該支持ビームの寸法は、長さ２０フィート×高さ１２インチ×幅６インチ、重量は１８０ポンドであった。鋼管は、ビームの最終的な圧縮成形前の、溶融した樹脂／ガラスモールド充填ステップの間に、モールドの中に挿入された。
【０１４０】
例１２
ポリエチレンと１インチ長の木材／セルロール乾燥繊維との混合物（樹脂８０重量％／木材繊維２０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４１】
例１３
ＳＭＡ（スチレン／無水マレイン酸）樹脂と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８２重量％／グラスファイバ１８重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４２】
例１４
ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂７０重量％／グラスファイバ３０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４３】
例１５
ＰＣ（ポリカーボネート）と１／２インチ長グラスファイバとの混合物（樹脂８０重量％／グラスファイバ２０重量％）を、樹脂のガラス転移温度を上回る少なくとも１００℃の押出機領域温度及びダイ温度を用いて例１のとおりに処理し、１２インチ×２４インチ×１／４インチのパネルを作成した。
【０１４４】
本発明に従って行われる成形プロセスは、業界で典型的に用いられる圧力よりはるかに低い圧縮圧力で行われる。有利なことに、こうした低い圧力によって、一般的には業界で用いられる高い圧力に耐えることができない可能性がある、木製のモールドなどの非金属のモールドの使用が可能になる。
【０１４５】
本発明においては、あらゆる種類の繊維性材料を用いることができる。例えば、繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、又は木材とすることができる。
【０１４６】
本発明に従って、あらゆる種類の熱可塑性樹脂を用いて物品を作成することができる。適切な熱可塑性樹脂の例は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及び、これらの混合物である。
【０１４７】
熱可塑性樹脂は、単一重合体とするか、２つ又はそれ以上の重合体の混合物とすることができる。特定の実施形態においては、熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又は、これらの重合体の混合物を含むことができる。
【０１４８】
熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又は、未使用樹脂と再生樹脂とのいずれかの比率の混合物とすることができる。熱可塑性樹脂は、必要に応じて、樹脂への繊維性材料の結合を強化する結合剤を含むことができる。
【０１４９】
特許請求の範囲に記載の発明に従って、パレット、ビーム、ドア、レードーム、壁パネル及びモジュール部品などの建造物、パイプ、支柱、及び杭といった物品を作成することができる。
【０１５０】
前述の説明は、本発明を実施するための好ましい実施形態に関するものであり、本発明の範囲は、この説明によって限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明に係る成形システムの平面図である。
【図２】図１の成形装置の側面図である。
【図３Ａ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｂ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｃ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｄ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図３Ｅ】本発明のプロセスの様々なステップにおける、図１及び図２のモールドの平面図である。
【図４】図１及び図２の押出機の側面図である。
【図５】図４の押出機の背面図である。
【図６Ａ】構造体部品を形成するように作動可能な、図１の押出成形システムの例示的な概念図である。
【図６Ｂ】図６Ａの押出成形システム６００ａの別の例示的なブロック図である。
【図７】台車によって支持された下部モールドの上に押出複合材料を堆積させている図６Ａの動的ダイの例示的な分解図である。
【図８Ａ】複合材料を図６Ａの下部モールドの上に堆積させるための二軸制御又は三軸制御のいずれかを用いることによって物品又は構造体部品を形成するのに使用することができる押出成形プロセスを説明する例示的なフロー図である。
【図８Ｂ】三軸制御押出成形プロセスによって、図６Ａの押出成形システムを使用して構造体部品を生産するための別の例示的なフロー図である。
【図９】図６Ａの押出システムの構成要素内部で作動する制御装置とインターフェース接続される図６Ａの制御装置の例示的なブロック図である。
【図１０】図６Ａの制御装置のより詳細な例示的ブロック図である。
【図１１】図１０の制御装置を作動させるプロセッサによって実行されるソフトウェアの例示的なブロック図である。
【図１２】図６Ａの押出成形システムによって押出複合材料を押し出すための、流量制御要素及びグリッドに区切られた下部モールドの例示的な概略図である。
【図１３】複合材料を図６Ａの下部モールドの上に堆積させるように位置合わせされた流量制御要素の上面図である。
【図１４】図６Ａの押出成形システムによって生産されるパレットの隅部の例示的な上面斜視図である。
【図１５Ａ】図６Ａの押出成形システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な底面斜視図である。
【図１５Ｂ】図６Ａの押出成形システムによって形成される隠しリブを有するプラットフォームの例示的な上面斜視図である。
【図１６Ａ】図６Ａの押出成形システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図１６Ｂ】図６Ａの押出成形システムによって形成される挿入物を有する例示的な構造体部品である。
【図１７】図６Ａの押出成形システムを使用して、ファスナ、支持体、又は他の要素などの挿入物を、図１６Ａ及び図１６Ｂに示されるような構造体部品に埋め込むための工程を説明する例示的なフロー図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含む成形熱可塑性物品であって、
ａ）熱可塑性樹脂と、成形前の繊維の長さが約０．５〜３インチであり、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成する繊維性材料と、いずれかの任意の添加剤との混合物を、低剪断単軸スクリュを用いて溶融化合し、
ｂ）低剪断押出を用いて、前記混合物をシート押出ダイを通して押し出し、
ｃ）前記押し出された混合物を、概ね物品全体の形状を有する水平に移動可能なマッチドモールドの第１の半モールドの中に堆積させ、
ｄ）熱可塑性物品の圧密及び成形を完了するために１００〜１，０００ｐｓｉの範囲の圧力と溶融した混合物の実質的にわずかな移動とを必要とするように、前記堆積させた混合物を前記マッチドモールドの第２の半モールドを用いて圧縮成形する、
ステップを含む低剪断プロセスによって作られ、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約６０％より長く、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、
前記成形熱可塑性物品の機械的特性は、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面において互いに２０％以内である、
ことを特徴とする物品。
【請求項２】
前記プロセスは、実質的に低剪断状態の下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記押し出しは、各々のゲートを通して押し出される前記混合物の厚さを変えることが可能な個別制御ゲートを有する、水平に取り付けられた多ゲート型シート押出ダイを通して行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記樹脂／繊維性材料混合物は、前記成形熱可塑性物品の溶融したニアネットシェイプ配置の状態で、前記ステップｃ）において前記モールドの中に重力によって堆積することを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記樹脂／繊維性材料混合物を、押し出し前に搬送パイプを通して搬送するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、及び木材からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記押し出しは、３００〜７００°Ｆの範囲の温度で行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
前記任意の添加剤は、前記熱可塑性樹脂への前記繊維性材料の結合を強化する結合剤であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
前記モールドは、金属製のモールド、非金属製のモールド、セラミックス製のモールド、又は木製のモールドであることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
引張強度、引張係数、及び曲げ強度が、軸線方向及び横断方向において互いに２０％以内であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１４】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約７０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１５】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約８０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１６】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約９０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１７】
前記機械的特性は実質的に非等方的であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１８】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約０．５フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１９】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約１．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２０】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約２．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２１】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約３．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２２】
重量が約１０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２３】
重量が約２０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２４】
重量が約２５ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２５】
前記プロセスは、挿入成形プロセスであることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２６】
熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含む成形熱可塑性物品であって、
成形前の前記繊維性材料の繊維の長さが、約０．５〜３インチであり、前記繊維性材料は、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成し、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約６０％より長く、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、
前記成形熱可塑性物品の機械的特性は、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面において互いに２０％以内である、
ことを特徴とする物品。
【請求項２７】
前記繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、及び木材からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項２８】
前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項２９】
前記熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３０】
前記熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３１】
前記熱可塑性樹脂は、該熱可塑性樹脂への前記繊維性材料の結合を強化する結合剤を含むことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３２】
引張強度、引張係数、及び曲げ強度が、軸線方向及び横断方向において互いに２０％以内であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３３】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約７０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３４】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約８０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３５】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約９０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３６】
前記機械的特性は実質的に非等方的であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３７】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約０．５フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３８】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約１．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３９】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約２．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４０】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約３．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４１】
重量が約１０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４２】
重量が約２０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４３】
重量が約２５ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４４】
１つ又はそれ以上の任意の強化挿入物をさらに含むことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４５】
前記強化挿入物は、管、棒、網、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項４４に記載の物品。
【請求項４６】
１つ又はそれ以上の隆起した三次元中実構造部を有することを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４７】
前記１つ又はそれ以上の隆起した三次元中実構造部は、隠しリブ、柱、取り付け柱、又はタブであることを特徴とする、請求項４６に記載の物品。
【請求項１】
熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含む成形熱可塑性物品であって、
ａ）熱可塑性樹脂と、成形前の繊維の長さが約０．５〜３インチであり、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成する繊維性材料と、いずれかの任意の添加剤との混合物を、低剪断単軸スクリュを用いて溶融化合し、
ｂ）低剪断押出を用いて、前記混合物をシート押出ダイを通して押し出し、
ｃ）前記押し出された混合物を、概ね物品全体の形状を有する水平に移動可能なマッチドモールドの第１の半モールドの中に堆積させ、
ｄ）熱可塑性物品の圧密及び成形を完了するために１００〜１，０００ｐｓｉの範囲の圧力と溶融した混合物の実質的にわずかな移動とを必要とするように、前記堆積させた混合物を前記マッチドモールドの第２の半モールドを用いて圧縮成形する、
ステップを含む低剪断プロセスによって作られ、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約６０％より長く、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、
前記成形熱可塑性物品の機械的特性は、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面において互いに２０％以内である、
ことを特徴とする物品。
【請求項２】
前記プロセスは、実質的に低剪断状態の下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記押し出しは、各々のゲートを通して押し出される前記混合物の厚さを変えることが可能な個別制御ゲートを有する、水平に取り付けられた多ゲート型シート押出ダイを通して行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記樹脂／繊維性材料混合物は、前記成形熱可塑性物品の溶融したニアネットシェイプ配置の状態で、前記ステップｃ）において前記モールドの中に重力によって堆積することを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記樹脂／繊維性材料混合物を、押し出し前に搬送パイプを通して搬送するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、及び木材からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１０】
前記押し出しは、３００〜７００°Ｆの範囲の温度で行われることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１１】
前記任意の添加剤は、前記熱可塑性樹脂への前記繊維性材料の結合を強化する結合剤であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１２】
前記モールドは、金属製のモールド、非金属製のモールド、セラミックス製のモールド、又は木製のモールドであることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１３】
引張強度、引張係数、及び曲げ強度が、軸線方向及び横断方向において互いに２０％以内であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１４】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約７０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１５】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約８０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１６】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約９０％より長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１７】
前記機械的特性は実質的に非等方的であることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１８】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約０．５フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項１９】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約１．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２０】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約２．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２１】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約３．０フィートより長いことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２２】
重量が約１０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２３】
重量が約２０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２４】
重量が約２５ポンドより大きいことを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２５】
前記プロセスは、挿入成形プロセスであることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項２６】
熱可塑性樹脂基体に埋め込まれた繊維性材料を含む成形熱可塑性物品であって、
成形前の前記繊維性材料の繊維の長さが、約０．５〜３インチであり、前記繊維性材料は、化合された混合物の全重量の５〜５５％を構成し、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約６０％より長く、
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の約２０％未満は、同じ向きに配向され、
前記成形熱可塑性物品の機械的特性は、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面において互いに２０％以内である、
ことを特徴とする物品。
【請求項２７】
前記繊維性材料は、グラスファイバ、ガラス繊維、炭素繊維、合成繊維、金属繊維、天然繊維、セルロース、及び木材からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項２８】
前記熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン、ポリハロオレフィン、多環芳香族、ポリ（アルケニル芳香族）、ポリスチレン、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリ（カルボン酸）、ポリアミン、ポリエーテル、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリ（有機硫化物）、ポリ（有機酸化物）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、スチレン／無水マレイン酸樹脂、及びこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項２９】
前記熱可塑性樹脂は、ホモ重合体、共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体、液晶高分子、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３０】
前記熱可塑性樹脂は、未使用樹脂、再生樹脂、又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３１】
前記熱可塑性樹脂は、該熱可塑性樹脂への前記繊維性材料の結合を強化する結合剤を含むことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３２】
引張強度、引張係数、及び曲げ強度が、軸線方向及び横断方向において互いに２０％以内であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３３】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約７０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３４】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約８０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３５】
前記成形熱可塑性物品の中の前記繊維性材料の繊維の長さは、成形前の繊維の長さの約９０％より長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３６】
前記機械的特性は実質的に非等方的であることを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３７】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約０．５フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３８】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約１．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項３９】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約２．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４０】
長さが、ｘ平面、ｙ平面、及びｚ平面の少なくとも１つにおいて約３．０フィートより長いことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４１】
重量が約１０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４２】
重量が約２０ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４３】
重量が約２５ポンドより大きいことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４４】
１つ又はそれ以上の任意の強化挿入物をさらに含むことを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４５】
前記強化挿入物は、管、棒、網、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項４４に記載の物品。
【請求項４６】
１つ又はそれ以上の隆起した三次元中実構造部を有することを特徴とする、請求項２６に記載の物品。
【請求項４７】
前記１つ又はそれ以上の隆起した三次元中実構造部は、隠しリブ、柱、取り付け柱、又はタブであることを特徴とする、請求項４６に記載の物品。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【公表番号】特表２００７−５３０３２６（Ｐ２００７−５３０３２６Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５０６１９４（Ｐ２００７−５０６１９４）
【出願日】平成１７年３月８日（２００５．３．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００７５０５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０２６６３
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５０６３３３２００）エルアールエム インダストリーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月８日（２００５．３．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／００７５０５
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１０２６６３
【国際公開日】平成１７年１１月３日（２００５．１１．３）
【出願人】（５０６３３３２００）エルアールエム インダストリーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー (1)
【Ｆターム（参考）】
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